Sternengeschichten Folge 644: Formamid und der Ursprung des Lebens

Wie ist das Leben auf der Erde entstanden? Das ist eine der grundlegenden Fragen der Wissenschaft beziehungsweise eine der grundlegenden Fragen überhaupt. Wir Menschen haben uns das immer schon gefragt und bevor wir die Wissenschaft hatten, um darüber nachzudenken, haben wir uns halt religiöse Schöpfungsmythen ausgedacht, um eine Antwort zu bekommen. Weil wir eine Antwort auf diese Fragen HABEN wollen, weil es eine wichtige Frage ist.

Schöpfungsmythen gibt es heute immer noch, aber es gibt mittlerweile auch die Wissenschaft und die hat bis jetzt noch keine eindeutige Antwort auf diese Frage geliefert - aber immerhin ein paar sehr spannende Hinweise. Und die haben mit Blausäure zu tun, mit radioaktivem Material und mit etwas, das "Formamid" heißt.

Aber fangen wir mal am Anfang an. Denn der ist es ja, der uns interessiert. Wir wissen mittlerweile sehr gut, wie sich das Leben NACH seiner Entstehung entwickelt hat; wie aus den allerersten Lebewesen die Vielfalt des Lebens entstanden ist, die wir heute auf der Erde beobachten. Das lässt sich mit der Theorie der Evolution sehr gut erklären. Was wir aber noch nicht erklären können ist: Wie das Leben selbst entstanden ist. Nachdem die Erde vor 4,5 Milliarden Jahren entstanden ist, war da noch kein Leben. Da waren nur jede Menge chemische Stoffe, Moleküle, Atome und so weiter, die an verschiedensten Orten in den verschiedensten Zuständen herumgelegen sind. Irgendwann muss irgendwas passiert sein, so dass komplexere Moleküle entstanden sind, die in der Lage waren, Kopien von sich selbst herzustellen, manchmal mit kleinen Fehlern, also mit Mutationen und das ist der Punkt, wo die Evolution einsetzen kann und wo wir sagen können, dass da jetzt "Leben" ist.

Aber wir wollen wissen, was passieren muss und vor allem was es braucht, damit dieser allererste Schritt passieren kann. Und was es braucht ist Wasser! Oder? Das erscheint logisch. Wir wissen, dass das Leben auf der Erde ohne Wasser nicht existieren kann. Wir Menschen und die anderen Lebewesen bestehen zu einem großen Teil aus Wasser. Wenn wir kein Wasser haben, dann sterben wir und es braucht auch Wasser, damit die diversen chemischen Vorgänge in unserem Körper ablaufen können.

Und das stimmt zwar alles - aber nicht ganz. Aber dazu kommen wir gleich. Wir wissen, aus diversen chemischen Experimenten, dass wir Nukleinsäuren und Aminosäuren brauchen, damit sich daraus Leben entwicklen kann. Und wir wissen auch, wie diese komplexen Molekülen entstehen können. Aber es hilft uns nicht, wenn auf der frühen Erde hier mal eines dieser Moleküle entsteht und dann dort mal wieder eines. Sie müssen in ausreichend hoher Konzentration entstehen und es braucht deswegen auch eine ausreichend hohe Konzentration der Chemikalien aus denen dann die komplexen Moleküle entstehen können. Oder anders gesagt: Wir brauchen einen Prozess, der dafür sorgt, dass sich diese Vorläuferstoffe ausreichend oft in ausreichend hoher Konzentration an passenden Orten auf der jungen Erde ansammeln. Das nennt sich das "Konzentrationsproblem" und es ist nicht das einzige. Das zweite Problem nennt sich "Wasser-Paradoxon".

Denn wir brauchen das Wasser zwar um zu leben und Leben braucht Wasser. Für die Bausteine des Lebens und ihre Bildung ist Wasser aber gar nicht so super. Sie können chemisch mit den Wassermolekülen reagieren und das führt dazu, dass sie zerstört werden. Diese beiden Probleme, das Konzentrationsproblem und das Wasser-Paradoxon machen es schwierig zu erklären, wie sich auf der jungen Erde ausreichend viele Bausteine des Lebens bilden konnten, so dass daraus irgendwann das Leben entsteht.

Eine Lösung könnte Formamid sein. Die chemische Formel dafür lautet CH3NO; Formamid besteht als aus Kohlensoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Der Name kommt übrigens vom lateinischen Wort für Ameise - formica - weil Formamid chemisch mit der Ameisensäure verwandt ist, die wiederum so heißt, weil das eine Säure ist, die unter anderem von Ameisen zur Verteidigung produziert und verspritzt wird. Bei normalen Bedingungen, also bei Raumtemperatur und normalen Druck ist Formamid eine farb- und geruchslose Flüssigkeit. Und diese Flüssigkeit ist sehr viel besser als Wasser geeignet, um darin und daraus die Bausteine des Lebens zu produzieren.

Das löst unser Problem aber nur bedingt, denn jetzt müssen wir uns fragen, wie auf der jungen Erde ausreichend viel Formamid in ausreichend großer Konzentration entstanden ist. Wir wissen, dass sich Formamid unter anderem aus Blausäure bilden kann. Blausäure besteht aus Wasserstoff, Stickstoff und Kohlenstoff - bis auf den Sauerstoff haben wir da schon alles, was wir für Formamid brauchen. Den Sauerstoff könnte man aus Wassermolekülen kriegen - aber es fehlt noch eine Zutat, damit die entsprechenden Reaktionen ablaufen. Wassermoleküle fallen ja nicht einfach so auseinander, wenn das so wäre, wäre das sehr blöd für uns. Es braucht Energie, damit das passiert und die muss irgendwo herkommen. Und, die könnte, so eine Vermutung, aus Radioaktivität stammen. Überall auf und in der Erde gibt es diverse radioaktive Elemente, die waren von Anfang an dabei, in dem Material aus dem unser Planet entstanden ist. Es hilft aber nichts, wenn die einfach nur so überall verstreut sind. Es muss ausreichend viel davon an einem Ort geben, damit die Strahlung stark genug ist, um Wassermoleküle aufzuspalten. Aber auch das ist möglich. Das kann einerseits durch Seifen passieren. Damit ist nicht das gemeint, mit dem wir uns die Hände waschen; in dem Fall ist das ein geologischer Fachbegriff. Das fließende Wasser in einem Fluss kann zum Beispiel Material transportieren; Sand, Gestein, und so weiter. Dieses Material kann sich dann unterwegs ablagern und unter den richtigen Bedingungen kann sich das Material dann quasi von selbst sortieren. Unterschiedliche Stoff mit unterschiedlichen Eigenschaften und Gewicht werden unterschiedlich stark und weit transportiert und am Ende wird die Materialmischung sortiert und die einzelnen Stoff konzentrtiert an einem Ort abgeladen. So etwas nennt man "Seife" und es kann durchaus auch sein, dass man dadurch Seifen mit radioaktivem Material kriegt. Also durch Ablagerung natürlich entstandenen Konzentrationen radioaktiver Materialien an unterschiedlichen Orten auf der Erde.

Es gibt aber auch noch eine zweite Möglichkeit, nämlich sogenannte "Naturreaktoren". Das sind quasi Kernkraftwerke, die natürlich entstehen. Wenn sich an einem Ort ausreichend viel Uran ansammelt, dann kann dort genau das passieren, was wir in Kernkraftwerken künstlich herstellen: Nämlich eine Kettenreaktion. Uranatome zerfallen, senden dabei Neutronen aus, die wiederrum dafür sorgen dass andere Urantome zerfallen und neue Neutronen aussenden, usw. Damit das ganze nicht zu schnell oder zu langsam passiert, sondern genau in der richtigen Geschwindigkeit, verwenden wir in Kernkraftwerken Moderatoren, also Materialien die genau die richtige Menge an Neutronen durchlassen. In einem Naturreaktor kann Wasser die Rolle eines solchen Moderators spielen und wir wissen, das es so etwas geben kann, weil wir das schon beobachtet haben. In Gabun, in Westafrika, gibt es den Naturreaktor Oklo und wir haben Spuren von sehr viel mehr solcher Naturreaktoren in der Vergangenheit entdeckt. Zu erklären, wie Oklo entstanden ist, wäre wieder eine ganz eigene Geschichte; für diese Geschichte jetzt ist es nur wichtig zu wissen, das es so etwas geben kann.

Wir haben also zwei Möglichkeiten, wie auf der frühen Erde ausreichend viel radioaktive Strahlung entstanden sein könnte, um die zur Bildung von Formamid nötigen Reaktionen auszulösen. Einerseits durch Seifen, die durch Sedimentation entstanden sind und andererseits durch Naturreaktoren. Die radioaktive Strahlung kann Wassermoleküle aufspalten und die können sich mit Blausäure zu Formamid verbinden.

Aber, wird jetzt vielleicht jemand einwenden wollen, wo kommt die Blausäure her? Die kann relativ einfach aus Acetonitril entstehen, so wie Blausäure ein Molekül aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff. Auch das kann durch radioaktive Strahlung aufgespalten werden und wenn Wasser vorhanden ist, kann sich daraus Blausäure bilden.

Übrigens, und das ist jetzt ein kurzer Exkurs, Blausäure und Acetonitril sind keine obskuren Chemikalien, die nur in irgendwelchen Labors auftauchen. Sie sind überall im Universum zu finden. Wir haben Acetonitril in Kometen nachgewiesen und in den Wolken aus denen Sternen entstehen. Und Blausäure ist quasi überall dort, wo wir hinschauen. In diversen Kometen, in den Atmosphären von Planeten anderer Sterne, wir haben Blausäure in den Eisvulkanen des Saturnmondes Enceladus entdeckt, und so weiter. Acetonitril und Blausäure sind häufige Moleküle, die leicht entstehen und wir können davon ausgehen, dass sie auch auf der jungen Erde entstanden sind und vorhanden waren.

Der ganze Prozess könnte jetzt so aussehen: Wir haben irgendwo auf der jungen Erde Wasser. Dieses Wasser hat durch Sedimentation eine Konzentration radioaktiver Elemente abgelagert. Aus Stickstoff und Methan, die in der Atmosphäre der jungen Erde reichlich vorhanden waren, bildet sich Acetontril. Durch die radioaktive Strahlung entsteht daraus Blausäure und daraus, wieder mit Hilfe der Radioaktivität, entsteht zusammen mit Wassermolekülen das Formamid. Das sickert durch den Sedimente in dem sich die Ablagerungen befinden und wo die chemischen Reaktionen ablaufen, bis es auf Grundgestein trifft und sich dort ansammelt. Jetzt haben wir eine ausreichend große Menge an Formamid, und in dieser nicht-wässrigen Lösung können sich jetzt die Bausteine des Lebens bilden.

Natürlich ist das alles in Wahrheit sehr viel komplizierter, als ich das jetzt dargestellt habe. Und nur weil das funktionieren kann, wissen wir natürlich noch lange nicht, ob es auch so passiert ist. Aber wir wissen zumindest, dass es einen Weg GIBT, wie das Leben auf der Erde entstanden sein kann, ohne vom Wasser, das es erst später braucht, behindert zu werden. Und wenn es tatsächlich so gelaufen ist, dann hat das spannende Konsequenzen für unsere Suche nach außerirdischem Leben. Denn Blausäure und Acetonitril gibt es, wie gesagt, überall. Es gibt auch überall im Weltall radioaktive Strahlung und es gibt auch jede Menge Wasser. Nicht in flüssiger Form, aber Wassermoleküle sind im Kosmos enorm häufig. Das heißt: Leben kann vielleicht auch dort entstehen, wo wir bisher nicht dachten, das es entstehen kann.

Sternengeschichten Folge 643: Der Meteorit Neuschwanstein

Das Schloss Neuschwanstein in Bayern ist eine der berühmtesten Sehenswürdigkeiten Deutschlands; über eine Million Menschen pro Jahr schauen sich das von König Ludwig II. gebaute "Märchenschloss", wie es auch oft genannt wird, an - was den Tourismus freut, die Leute, die direkt dort im Ostallgäu leben aber nicht ganz so sehr. Aber das hier ist ja kein Tourismus- oder Tourismuskritik-Podcast, sondern einer über Astronomie. Und deswegen geht es nicht um das Schloss, sondern um den Meteoriten, der das Schloss fast zerstört hätte.

Ok, das war jetzt ein wenig übertrieben. Aber es ist nicht völlig falsch. Am 6. April 2002 ist ein Meteorit aus dem Weltall in der Nähe von Schloss Neuschwanstein aufgeschlagen und es wäre nicht völlig unmöglich gewesen, dass er das Schloss getroffen hätte. Aber fangen wir am besten im Weltraum an. Von dort stammt der Brocken und er war an diesem Tag auf Kollisionskurs mit der Erde. Gegen halb elf Uhr Abends war er weit genug in die Atmosphäre eingedrungen, um zu leuchten zu beginnen. Oder korrekterweise gesagt: Nicht der Meteorit hat geleuchtet. Aber weil er mit fast 21 Kilometer pro Sekunde in die Atmosphäre eingetreten ist, hat er bei seinem rasanten Flug durch die Luftschichten die Luftmoleküle angeregt und zum Leuchten gebracht. Die Lichtspur, die er dann über den Himmel gezogen hat, hat in Innsbruck begonnen, da war der Meteorit noch 85 Kilometer über dem Boden. Der Brocken hat da vermutlich ein Gewicht von 300 Kilogramm gehabt. Der Meteorit ist weiter von Tirol in Richtung Bayern geflogen, über Garmisch-Partenkirchen war er nur noch 21 Kilometer vom Boden entfernt und hat heller als der Vollmond geleuchtet. Ungefähr zu diesem Zeitpunkt hat er auch die Luftreibung nicht mehr ausgehalten und ist in kleinere Bruchstücke zerplatzt. Ab da befand sich der Meteorit in der sogenannten "Dunkelflugphase", wo er sich durch die Atmosphäre bewegt, ohne die Luft zum Leuchten zu bringen. Dafür waren die Brocken jetzt auch zu langsam, sie waren nur noch wenig mehr als 2 Kilometer pro Sekunde drauf. Ein paar Sekunden später waren sie auch langsamer als die Schallgeschwindigkeit und sind nur noch im freien Fall zum Boden gefallen. Dort, in der Nähe von Schloss Neuschwanstein, sind sie dann mit circa 250 km/h aufgeschlagen. Und in dieser letzten Phase des Falls, wenn die Brocken die untersten Schichten der Atmosphäre durchqueren, spielt auch der Wind eine Rolle. Der war an diesem Abend nicht schwach und hat genau von Neuschwanstein kommend in Richtung Österreich geweht - also dem Meteorit entgegen. Das bedeutet, dass die fallenden Brocken am Ende ihres Flugs durch den Wind entgegen ihrer Flugrichtung abgelenkt worden sind. Ansonsten wären sie noch näher an das Schloss Neuschwanstein heran geflogen und auch wenn es enorm unwahrscheinlich ist, wäre es nicht unmöglich gewesen, dass sie das berühmte Bauwerk getroffen hätten.

Haben sie aber nicht! Und das haben auch jede Menge Menschen gesehen. Denn die extrem helle Lichterscheinung ist natürlich nicht unbeobachtet geblieben. Überall in Bayern haben Leute bei der Polizei und bei den Zeitungen angerufen, um das unerwartete Licht am Himmel zu melden. Und nicht nur Menschen haben den Fall des Meteoriten beobachtet, sondern auch die wissenschaftlichen Kameras des Europäischen Feuerkugelnetzwerks. Das ist genau für solche Situationen da: An unterschiedlichen Stationen überall in Europa beobachten Kameras Nacht für Nacht den gesamten Himmel; auf der Suche nach den Leuchtspuren von Meteoriten. Wenn mehrere Stationen die selbe Leuchtspur aufzeichnen, kann man daraus dann die genaue Flugbahn rekonstruieren. Das ist einerseits wichtig, wenn man wissen möchte, wo eventuelle Bruchstücke auf der Erde gelandet sind. Und andereseits relevant, weil man aus der Flugbahn auch rekonstruieren kann, auf welcher Bahn sich das Objekt vorher um die Sonne bewegt hat.

Aber bleiben wir vorerst noch auf der Erde. Feuerkugelnetz-Stationen in Deutschland, der Tschechischen Republik und in Österreich konnten den Fall beobachten und so herausfinden, dass Bruchstücke irgendwo im Grenzgebiet zwischen Deutschland und Österreich, bei Füssen und Garmisch-Partenkirchen gelandet sein müssten. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt hat sich dann auch gleich auf die Suche gemacht. Beziehungsweise nicht ganz gleich, denn im April ist es in den bayrischen Bergen noch kühl und überall lag Schnee. Erst im Mai waren die Bedingungen geeignet für eine Suche, die aber dann ohne Erfolg aufgegeben werden musste.

Nicht aufgegeben haben Nadin Bukow und Thomas Grau. Für das Paar aus Brandenburg war die Astronomie nur ein Hobby, die Suche nach dem Meteorit haben sie aber durchaus ernst genommen und am 14. Juli 2002 waren sie erfolgreich. Knapp vor der österreichischen Grenze, an der Westflanke des Ochsenälpeleskopfs haben sie ein 1,7 Kilogramm schweres Fragment des Meteoriten entdeckt. Ein Stückchen weiter nördlich sind am 27. Mai 2003 dann zwei weitere Hobby-Meteoritensucher fündig geworden. Ihr Fragment war 1,6 Kilogramm schwer und ist ein paar Zentimeter tief im Waldboden gesteckt. Das dritte und größte Fundstück ist dann am 29. Juni 2003 entdeckt worden. Der deutsche Physiker Karl Wimmer hatte eigenen Computersimulationen durchgeführt um den wahrscheinlichsten Ort zu ermitteln und ist dann schließlich auf der österreichischen Seite der Grenze fündig geworden. Dieses Fragment hat 2,8 Kilogramm und mehr Stücke des Meteoriten hat man nicht mehr entdeckt.

Und was hat man mit diesen Brocken aus dem Weltall gemacht? Zuerst einmal darum gestritten. Denn wem gehört so ein Meteorit, wenn man ihn einfach so am Boden findet? Ich will jetzt gar nicht damit anfangen, die ganzen Gesetze im Detail zu erklären, vor allem weil sich da ja auch immer wieder etwas ändert. Aber prinzipiell ist es einmal relevant, ob so ein Meteorit auf öffentlich zugänglichen oder privaten Geländen gefunden wird. Bei Neuschwanstein ist der Fund auf öffentlichen Gelände passiert und deswegen gehört der Meteorit dann nicht dem Staat allein, sondern auch zum Teil der Person, die ihn gefunden hat. Es sei denn, es handelt sich um einen Schatz, denn dann hat der Staat Anspruch darauf. Im Fall des ersten Fragments hat Bayern die Sache aber einfach durch Geld gelöst. Nadin Bukow und Thomas Grau haben Geld bekommen und Bayern den Meteoriten, der seitdem im Rieskrater-Museum in Nördlingen besichtigt werden kann. Und ein Meteorit reicht eigentlich aus, hat sich Bayern wohl gedacht, denn als dann das zweite Fragment gefunden worden ist, wollte der Freistaat kein Geld mehr dafür ausgeben. Die beiden Finder wollten ihr Stück Meteorit aber auch nicht einfach so hergeben. Also ist er dann tatsächlich in zwei Hälften geschnitten worden. Eine Hälfte ist an den Staat gegangen und die wird seitdem in der Mineralogischen Staatssammlung München erforscht. Die andere Hälfte haben die beiden Finder in noch kleinere Stücke geteilt und die dann an diverse Museen und private Sammlungen verkauft.

Richtig spannend ist es dann beim größten Fragment des Meteoriten geworden. Der ist ja in Österreich gelandet, auf dem Gebiet der Gemeinde Reutte. Und die wollte das Ding auch haben! Der Finder wollte es aber nicht hergeben. Also ist die Sache vor Gericht gelandet. Das musste entscheiden, ob es sich bei dem Meteorit um einen Schatz, einen Zuwachs oder einen herrenlosen Gegenstand handelt. Ein Schatz ist es nicht, hat der Richter dann gesagt, denn ein Schatz muss längere Zeit im Verborgenen liegen, was der Meteorit nicht getan hat. Es ist auch kein Zuwachs, also sowas wie die Früchte eines Baums oder die Bäume eines Waldes, an dem die Gemeinde dann automatisch Anspruch hat. Der Meteorit ist, hat das Gericht entschieden, ein herrenloser Gegenstand, der der Person gehört, die sie findet. Das hat die Gemeinde Reutte nicht so toll gefunden, hat sich aber am Ende damit abfinden müssen, nur eine Ausgleichszahlung zu bekommen. Das größte Fragment des Meteoriten gehört weiterhin Karl Wimmer, dem Finder.

Aber zumindest aus den Stücken, die der Wissenschaft zugänglich sind, hat man ein paar sehr interessante Sachen herausfinden können. Aus der Analyse der Flugbahn konnte man berechnen, auf welcher Bahn sich das Objekt zuvor um die Sonne bewegen hat müssen. Und diese Bahn ist der von zwei anderen Meteoriten ziemlich ähnlich. Einerseit dem Přibram-Meteoriten, der am 7. April 1959 in der damaligen Tschechoslowakei gefallen ist. Und andereseits dem Benešov-Meteorit, der am 7. Mai 1991 über Tschechien niedergegangen ist. Es liegt also nahe, dass alle drei Objekte Teil des selben Asteroids gewesen sind. Aber die chemischen Analysen zeigen ein anderes Bild. Neuschwanstein ist ein Entstatit-Chondrit, eine sehr seltene Gruppe von Gesteinsmeteoriten. Přibram dagegen ist ein gewöhnlicher Chondrit, ein stinknormaler Gesteinsmeteorit quasi. Und bei Benešov ist die Sache unklar, da hat man unterschiedliche Fragmente gefunden. Interessant ist auch das "Bestrahlungsalter". Ich gehe jetzt nicht auf die Details ein, aber man kann die Radioaktivität der diversen chemischen Elemente des Meteoriten messen und daraus bestimmen, wie lange der Brocken durchs All geflogen ist und dabei der kosmischen Strahlung ausgesetzt war. Bei Neuschwanstein waren das 46 Millionen Jahre, bei Přibram 17 Millionen Jahre und bei Benešov hat man keine klaren Daten bekommen können.

Also haben die drei doch nichts miteinander zu tun? Vielleicht doch - denn im Jahr 2022 hat man sich das noch einmal genauer angesehen. In der Zwischenzeit ist nämlich der Asteroid 2008 TC3 auf der Erde eingeschlagen, ich hab in Folge 427 der Sternengeschichten ausführlich davon erzählt. Das war der erste Fall, wo man die Bahn des Asteroid schon kannte, bevor man wusste, dass er einschlagen wird und wo man dann auch tatsächlich Meteoriten finden konnte. Und man hat bei ihrer Analyse festgestellt, dass die Fragmente tatsächlich unterschiedliche chemische Zusammensetzungen und ein unterschiedliches Bestrahlungsalter hatten. Das passt zum Bild der "fliegenden Geröllhaufen": Wir gehen heute davon aus, dass viele Asteroiden keine massiven Gesteinsbrocken sind, sondern eher lose Ansammlungen aus großen und kleinen Fragmenten. Entstanden sind sie vielleicht durch Kollisionen von anderen Asteroiden, wo sich die Bruchstücke dann vermischt und den Geröllhaufen gebildet haben. Unterschiedliche Teile davon waren unterschiedlich lange der kosmischen Strahlung ausgesetzt und sind dann zu unterschiedlichen Zeitpunkten abgebrochen, bevor sie sich auf den Weg zur Erde gemacht haben.

Wir haben sogar ein paar Kandidaten für den Geröllhaufen, vom dem Neuschwanstein & Co stammen könnten. Vielleicht ist es der im Jahr 1987 entdeckte Asteroid Mithra. Seine Umlaufbahn passt zu den Meteoriten und wir wissen zwar noch nicht viel über den circa 1,8 Kilometer großen Brocken, aber wir wissen, dass er der Erde immer wieder mal vergleichsweise nahe kommt - und dass es sich höchstwahrscheinlich um einen contact binary handelt. Also einen Asteroid, der eigentlich aus zwei Teilen besteht, die aber nur lose Kontakt haben und nur schwach durch Gravitation aneinander gebunden sind. Also genau so eine Art fliegender Geröllhaufen, wie er zu Neuschwanstein, Přibram und Benešov passen würde.

Mit letzter Sicherheit werden wir wohl erst rausfinden, wo Neuschwanstein her kommt, wenn wir eine Raumsonde zu Mithra schicken, und vor Ort nachsehen. Bis dahin müssen wir die Fragmente hier auf der Erde erforschen. Und wer mal in der Nähe von Nördlingen in Bayern vorbei kommt, kann gerne dort im Rieskrater-Museum vorbei schauen. Da gibt es nicht nur jede Menge interessante Infos über Asteroiden und Asteroideneinschläge, sondern auch das zuerst gefundene Fragment des Neuschwanstein-Meteoriten zu besichtigen. Das ist auch viel spannender als ein Schloss aus dem 19. Jahrhundert und man muss sich das Museum auch nicht mit so absurd vielen Touristen teilen…

Sternengeschichten Folge 642: Sternentriebwerke und Astro-Engineering

Wenn ich heute von Astro-Engineering spreche, also quasi "Astro-Technik", dann meine ich damit nicht, dass wir jetzt irgendwelche Satelliten zusammenbasteln, Raketen bauen oder Teleskope konstruieren. Es geht tatsächlich um astronomische Vorhaben und "astronomisch" sind sowohl die Größenskalen auf denen sich das abspielt, als auch die beteiligten Objekte. Es geht um die Frage, ob wir ganze Sterne "umbauen" oder modifizieren können, um dadurch diverse Probleme zu lösen. Zum Beispiel, wenn unser Sonnensystem durch eine nahe Supernova bedroht wird und wir der ausweichen wollen: Wären wir dann in der Lage, die Sonne zu verschieben?

Und die Antwort lautet natürlich: Nein! Selbstverständlich können wir das nicht! Wir haben es gerade mal geschafft, kleine Raumstationen in unmittelbarer Nähe der Erde zu bauen und noch kleinere Raumsonden zu den Planeten des Sonnensystems zu schicken. Wir sind definitiv nicht in der Lage, einen Stern zu verschieben! Aber von solchen Realitäten lässt sich die Wissenschaft ungern aufhalten. Nur weil wir etwas jetzt noch nicht können ist das ja noch lange kein Grund, nicht darüber nachzudenken, wie man es vielleicht trotzdem irgendwann mal anstellen kann. Und deswegen haben sich im Laufe der Zeit jede Menge Menschen Gedanken über genau so ein Astro-Engineering gemacht. Die einen, weil sie spannende Science-Fiction-Geschichten schreiben wollten. Und die anderen aus wissenschaftlichem Interesse. Auf jeden Fall aber wissen wir heute, wie wir es anstellen müssten, wenn wir zum Beispiel vorhaben, ein stellares Triebwerk zu bauen, also eine Maschine, mit der sich ein Stern verschieben lässt. Und wenn ich sage, wir wissen, wie man es anstellen müsste, dann meine ich nicht, dass da irgendwo fix-fertige Baupläne in der Schublade liegen. Ich meine, dass wir wissen, wie ein stellares Triebwerk funktionieren könnte, ohne dabei irgendwelche Naturgesetze zu verletzen. Wie man sowas dann konkret baut, ist wieder eine ganz andere Frage.

Diese Frage ignorieren wir jetzt einfach. Und schauen uns an, was wir tatsächlich wissen. Also: Wie kann man einen Stern gezielt bewegen. Und wenn ich im folgenden sage, dass wir einen Stern bewegen oder die Sonne bewegen, dann meine ich immer auch gleichzeitig, dass wir damit das ganze Sonnensystem bewegen. Die Erde und die restlichen Planeten sind durch die Gravitationskraft an die Sonne gebunden und folgen ihr, wohin auch immer sie sich bewegt. Aus unserer Sicht von der Erde aus, spüren wir nichts von der Bewegung der Sonne, so wie wir ja auch jetzt nichts davon spüren, dass sich die Sonne mit gut 200 Kilometer pro Sekunde um das Zentrum der Milchstraße bewegt. Also: Wie bewegen wir die Sonne und damit das ganze Sonnensystem? Im Prinzip gilt hier das, was auch bei allen anderen Antriebsarten gilt, die wir im Weltraum benutzen, nämlich die Newtonschen Bewegungsgesetze. Sehr vereinfacht gesagt: Wenn ich irgendwas in die eine Richtung werfe, bewege ich mich dadurch in die andere Richtung. So funktioniert ja auch ein Raketenantrieb: Treibstoff wird verbrannt und die entstehende Abgase ausgestoßen. Das Resultat: Die Rakete bewegt sich in die andere Richtung.

Mit einem Stern können wir so etwas ähnliches anstellen und sogar auf unterschiedliche Weise. Stellen wir uns dazu zuerst einen riesigen Spiegel vor. Einen wirklich riesigen Spiegel, größer als die Sonne selbst. Diesen Spiegel positionieren wir jetzt auf eine bestimmte Weise im All. Auf so einen Spiegel wirken nämlich zwei unterschiedliche Kräfte: Einerseits die Gravitationskraft der Sonne, die den Spiegel anzieht. Und andererseits auch der Strahlunsdruck. Das ist die Kraft, die durch die Lichtteilchen der Sonne übermittelt wird. Licht hat zwar keine Masse, aber einen Impuls. Wenn Licht irgendwo auftrifft dann wird dadurch eine Kraft übertragen. Die ist normalerweise klein, aber wenn man es mit so enorm viel Licht zu tun hat, wie es von der Sonne kommt, dann ist diese Kraft durchaus relevant. Ich habe mehr darüber in Folge 507 erzählt, als es um das Sonnensegel ging.

Der Strahlungsdruck der Sonne schiebt den Spiegel also weg, die Gravitationskraft der Sonne zieht ihn an. Und wenn wir den Spiegel richtig positionieren, halten sich beide Kräfte die Waage und er bleibt ganz von selbst dort, wo er ist. Was passiert dann? Die Sonne leuchtet weiter wie bisher. Sie schickt ihr Licht in alle Richtungen. Aber in der einen Richtung steht jetzt eben dieser riesige Spiegel und reflektiert dieses Licht zurück in die andere Richtung. Oder anders gesagt: Durch den Spiegel wird die Abstrahlung der Sonne asymmetrisch und damit auch der Strahlungsdruck. Oder noch einmal anders gesagt: Wir haben die selbe Situation wie bei einem Raketenantrieb, nur das es hier keine heißen Abgase sind, die den Schub verursachen, sondern die Strahlung der Sonne. Durch den Spiegel strahlt die Sonne nicht mehr in alle Raumrichtungen sondern nur noch in eine und bewegt sich dadurch selbst in die andere. Und der Spiegel folgt dieser Bewegung, wir haben ihn ja vorher extra so eingerichtet, dass sich Gravitationskraft und Strahlungsdruck immer die Waage halten müssen.

Natürlich gibt es bei der Sache ein paar Komplikationen. Wir müssen zuerst einmal dafür sorgen, dass die vom Spiegel reflektierte Strahlung nicht komplett auf die Sonne zurück fällt. Das würde unseren Stern aufheizen und die Leuchtkraft der Sonne würde sich erhöhen, was unter Umständen unangenehm für uns auf der Erde wäre. Und dann müssen wir auch aufpassen, dass der Spiegel das Sonnenlicht nicht auf die Erde selbst reflektiert, das wäre ebenfalls ungut für uns. Das heißt, wir müssen den Spiegel über der Ebene des Sonnensystems positionieren, also über einen der Pole der Sonne. Das schränkt dann aber natürlich auch wieder die Richtungen ein, in die wir mit dieser Art von Antrieb fliegen können. Und recht schnell ist der Antrieb auch nicht. Nach der ersten Million Jahre wären wir damit gerade einmal drei Zehntel Lichtjahre weit gekommen. Aber nach einer Milliarde Jahre hätten wir dann immerhin schon mehr als 30.000 Lichtjahre hinter uns gebracht.

So ein Shkadov-Triebwerk, benannt nach dem russischen Wissenschaftler Leonid Shkadov, ist also vielleicht nicht unbedingt die beste Möglichkeit, um schnell ausweichen zu können, wenn sich da irgendwo eine böse Supernova oder ein anderes Hindernis in unseren Weg stellt. Es gibt aber natürlich andere Möglichkeiten: Man könnte ja einfach auch die ganze Sonne in eine Kugel hüllen, deren Innenseite verspiegelt ist. Dann könnten wir die ganze Energie der Sonne einfangen und damit irgendeine Art von Antrieb nutzen. Ich habe in früheren Folgen der Sternengeschichten immer wieder Mal über solche "Dyson-Sphären" gesprochen, also Konstruktionen, bei denen eine Kugelschale um die Sonne gebaut wird. Das Problem daran ist aber, dass solche Dyson-Sphären nicht stabil sind und enorm viel Baumaterial benötigen, für das wir vorher vermutlich ein paar Planeten auseinander nehmen müssten. Und das waren bei weitem nicht die einzigen Probleme. Dyson-Sphären sind deutlich mehr Science-Fiction als es die Shkadov-Triebwerke sind, also werde ich sie in dieser Folge nicht weiter behandeln.

Aber es gibt noch eine weitere interessante Möglichkeit, die auf der Science-Fiction-Skala irgendwo zwischen Shkadov und Dyson liegt. Die Idee stammt vom amerikanischen Astronom Matthew Caplan und funktioniert so: Die Sonne schickt ja nicht nur Licht ins All, sondern auch den Sonnenwind, also Teilchen aus ihren äußeren Schichten. Dabei handelt es sich um Wasserstoff- und Heliumatome und die könnten wir einsammeln. Dazu brauchen wir irgendeine Maschine in der Nähe der Sonne, die das Zeug - vermutlich mit starken Magnetfelder - sammelt. Das Helium könnten wir dann in einem Fusionskraftwerk zu Sauerstoffatomen fusionieren. Und wir nehmen deswegen das Helium und nicht den Wasserstoff für die Fusion, weil die Energie und Temperaturen, die bei der Heliumfusion entstehen, deutlich höher sind. Wir können den entstandenen Sauerstoff also deutlich schneller ausstoßen und Sauerstoffatome haben auch eine größere Masse als die Heliumatome, die wir bei der Wasserstofffusion kriegen würden. Und je größer die Masse von dem ist, was wir ausstoßen und je schneller wir das tun, desto stärker ist die Kraft, die uns antreibt. Also: Deswegen fusionieren wir das Helium aber wir sind noch nicht fertig. Wir müssen ja irgendwie auch die Sonne bewegen. Im Gegensatz zum Shkadov-Antrieb ziehen wir jetzt aber nicht an ihr, sondern schieben sie. Das heißt, der Strahl aus fusioniertem Sauerstoff ist von der Sonne weg gerichtet. Und damit unser Antrieb nicht sofort mit der Sonne kollidiert, brauchen wir noch eine weitere Komponente. Wir nehmen den Wasserstoff, den wir ja auch eingesammelt haben, beschleunigen die Atome sehr stark und schicken einen Wasserstoffstrahl von der Maschine auf die Sonnenoberfläche, der sie daran hindert, mit ihr zu kollidieren.

Zusammengefasst haben wir jetzt also ein Ding, das Material von der Sonne sammelt, in der einen Richtung Sauerstoff ausstösst und Wasserstoff in die andere und so in der Lage ist, die Sonne durch die Gegend zu schieben. Allerdings nur, wenn es auch genug Sonnenwind sammeln kann und das, was die Sonne von selbst abgibt, reicht dafür bei weitem nicht. Wir müssen also noch einen Ring aus Spiegeln konstruieren, die wir um die Sonne herum positionieren. Sie werfen die Sonnenenergie auf die Sonne zurück, heizen sie dadurch auf und erzeugen mehr Sonnenwind, als die Sonne von selbst produzieren würde. Das ist alles deutlich aufwendiger als der simple Spiegel beim Shkadov-Antrieb. Aber dafür würde man mit so einem Caplan-Antrieb nach einer Million Jahre schon 33 Lichtjahre zurück gelegt haben, also über 1000 mal mehr als beim Shkadov-Antrieb.

Wie gesagt: All diese stellaren Triebwerke sind nicht unmöglich. Nichts davon widerspricht den Naturgesetzen und theoretisch könnten wir so etwas bauen. Praktisch natürlich nicht, weil wir keine Ahnung haben, wie wir solche gewaltigen Maschinen konstruieren können, wo wir das Material dafür her kriegen sollen, und so weiter. Aber wer weiß, wie sich die Welt entwickelt. Vielleicht schaffen wir es in ferner Zukunft ja vielleicht doch, die Sonne gezielt zu bewegen. Dann könnten wir durch die Milchstraße reisen, ohne die Erde verlassen zu müssen. Und die Erde ist immerhin das einzige Raumschiff, auf dem alle Menschen mitfliegen können.

Sternengeschichten Folge 641: W44 - Die Supernova und das flüchtende schwarze Loch

Am 31. Dezember 1958 hat der niederländische Astronom Gart Westerhout die Ergebnisse seiner Beobachtungen mit dem Dwingeloo-Radioteleskop veröffentlicht, dass damals mit einem Durchmesser von 25 Metern das größte der Welt war. Er hat damit unter anderem die Gegend um den galaktischen Äquator abgesucht und dabei im Sternbild Adler einen Supernova-Überrest entdeckt. Das ist, wenig überraschend, dass, was übrig bleibt, wenn ein großer Stern am Ende seines Lebens bei einer Supernova explodiert. Also jede Menge Gas, das sich mit hoher Geschwindigkeit in alle Richtungen ausbreitet. Damals war es nur ein Eintrag in einem Katalog, mit der Bezeichnung W44. Heute ist der Supernova-Überrest W44 Thema jeder Menge wissenschaftlicher Arbeiten und ein einzigartiges Forschungsobjekt, das uns vielleicht zeigt, wie man das Unsichtbare in der Milchstraße entdecken kann.

Fangen wir mit den Grundlagen an. W44 ist um die 10.000 Lichtjahre von uns entfernt. Der Supernova-Überrest ist zwischen 17.000 und 20.000 Jahren alt; vielleicht auch älter, das lässt sich leider nicht so genau sagen. Das erste, was W44 besonders macht, ist seine Umgebung. Der Supernovaüberrest befindet sich direkt in einer Molekülwolke. Das sind die riesigen Wolken aus Gas und Staub die sich überall zwischen den Sternen befinden und aus denen neue Sterne entstehen können. Normalerweise sind Supernovaüberreste halbwegs symmetrisch, weil das Gas aus den äußeren Schichten des explodierenden Sterns in alle Richtungen davon geschleudert wird. Bei W44 ist das nicht so. In der nordwestlichen Region sieht man die charakteristischen Gasströme eines Supernovaüberrestes. In der südöstlichen Ecke dagegen stoßen diese Gase auf das Gas der Molekülwolke. So eine Wechselwirkung zwischen Supernova und Molekülwolke kann man nur ganz selten beobachten und alleine das macht W44 schon besonders und genau deswegen wird so intensiv daran geforscht. Unter anderem hat das auch der japanische Astronom Masaya Yamada von der Keio Universität mit seinem Team gemacht. Sie wollten herausfinden, wie viel Energie von der Supernova-Explosion auf das Gas der Molelekülwolke übertragen wird, unter anderem deswegen, weil diese Energie natürlich dort die Entstehung neuer Sterne anregen kann. Entdeckt haben sie aber etwas ganz anderes mit dem sie überhaupt nicht gerechnet haben.

Wenn man herausfinden will, wie viel Energie von der Supernova auf die Molekülwolke übertragen wird, muss man messen, wie sich das Gas bewegt und vor allem wie schnell sich das Gas bewegt. Dabei haben Yamada und sein Team eine Region entdeckt, wo sich das Gas enorm schnell bewegt. Es war mit über 100 Kilometer pro Sekunde unterwegs, was deutlich schneller ist, als sich Gas dort bewegen sollte. Dieser Bereich aus schnellem Gas ist ungefähr 2 Lichtjahre groß und sehr lang gestreckt. Es sieht aus wie ein Finger aus Gas, der sich aus der Wolke nach außen streckt. Die Spitze dieses Fingers ist dabei am schnellsten unterwegs, mit circa 120 Kilometer pro Sekunde, der Rest ist langsamer. Die Energie, die nötig ist, um diese Gasmassen so stark zu beschleunigen, ist ein paar Dutzend Mal größer als alles, was die Supernova liefern hätte können. Was also passiert dort? Was treibt das Gas mit dieser enormen Geschwindigkeit durchs All?

Yamada und sein Team habe zwei Möglichkeiten vorgeschlagen. Die erste haben sie das "Explosionsmodell" genannt. Es fängt alles ganz normal an, mit dem explodierenden Stern, der seine Gasschichten hinaus ins All schleudert. Wenn dann auf einmal hinter so einer Gasschicht noch eine Explosion stattfindet, könnte die dafür sorgen, dass ein Teil des Gases noch stärker beschleunigt wird und sich Finger ausbildet, wie der, den man beobachtet hat. Nur: Was soll da explodieren? Eine Möglichkeit wäre eine zweite Supernova, die unabhängig von der ersten stattgefunden hat. Die Chancen, das in einer vergleichsweise kleinen Region des Weltalls zwei Sterne so kurz hintereinander explodieren, sind zwar gering. Aber unmöglich ist es nicht.

Genauso wie eine andere Ursache für die Explosion. Vielleicht ist es auch so gelaufen: Der ursprüngliche Stern explodiert und schleudert sein Gas in alle Richtungen, soweit ist alles wie vorhin. Dann aber trifft dieses Gas auf ein Hindernis, nämlich ein schwarzes Loch. Das Gas, das in der Nähe dieses schwarzen Lochs vorbei strömt, wird davon angezogen, wirbelt enorm schnell herum und bildet eine Scheibe um das Loch. Dabei wird sehr viel Strahlung frei, die den Rest der ursprünglichen Gasschichten wie eine Explosion antreibt. Man kann sich das schwarze Loch wie eine Art Tretmine vorstellen. Das schwarze Loch ist irgendwann sehr viel früher entstanden, aus einem noch viel größeren Stern, der am Ende seines Lebens ebenfalls explodiert und dann kollabiert ist. Das ist aber schon so lange her, dass man hier keine Supernovaüberreste mehr erkennen kann; das ganze Gas ist weg und das schwarze Loch liegt unsichtbar für den Rest der Welt herum. Dann aber kommt vor ein paar zehntausend Jahren die jüngere Supernova und schleudert ihr Gas durch die Gegend. Es strömt in alle Richtung, ein Teil davon trifft auf das schwarze Loch, dass dadurch quasi aktiviert wird. Das Loch beschleunigt das Gas stark, bevor es verschluckt wird und dabei wird enorm viel Strahlung frei. Oder anders gesagt: Die Mine wird aktiviert, sie explodiert und treibt den Rest des Gases voran.

Das ist schon recht spektakulär, was aber auch für das zweite Modell gilt, das "Schuß-Modell". Es könnte auch sein, dass sich von irgendwo anders her im Weltall ein sehr dichtes, sehr schnelles Objekt auf den Supernovaüberrest und die Wolke zubewegt hat. Das wirkt dann quasi so wie eine Pistolenkugel, die in die Gasmassen hinein geschossen wird und wenn diese Kugel schnell genug unterwegs ist, kann sie Gas mit sich reißen und so die beobachtete Fingerstruktur bilden. In der Spitze des 2 Lichtjahre langen Gasfingers würde sich in diesem Modell immer noch das dichte, schnelle Objekt befinden, das bei seinem Flug das Gas mit sich nimmt. Und was für ein dichtes, schnelles Objekt könnte das sein? Das ist das spannende an der Sache: Auch hier kommt eigentlich nur ein schwarzes Loch in Frage. Beide Modelle zur Erklärung der seltsamen Gasfinger-Struktur benötigen ein schwarzes Loch. Im ersten Fall, beim Explosionsmodell ist es ein recht kleines schwarzes Loch, das nur circa 3,5 Mal so viel Masse wie unsere Sonne hat. Bei Schuß-Modell muss es mehr sein; da braucht man um die 36 Sonnenmassen.

Was es genau ist, kann man nur durch genauere Beobachtungen herausfinden. Der eigentlich wichtige Punkt aber ist: W44 hat uns vielleicht einen Weg geöffnet, wie man ansonsten unsichtbare schwarze Löcher entdecken kann. Wir wissen, dass es jede Menge davon in der Milchstraße geben muss. Alle ausreichend große Sterne werden zu schwarzen Löchern, wenn sie nicht mehr genug Material für die Kernfusion haben. Aber schwarze Löcher kann man eben nicht sehen. Man sieht nur ihre Auswirkungen auf ihre Umgebung, zum Beispiel wenn da irgendwo Gas oder anderes Material ist, dann in sie fällt und davor noch jede Menge Strahlung abgibt. Wir können die Anwesenheit eines schwarzen Lochs auch bemerken, wenn es Teil eines Doppel- oder Mehrfachsternsystems ist oder sich vergleichsweise nahe an anderen Sternen vorbei bewegt. Dann sehen wir den Einfluss der Gravitationskraft des schwarzen Lochs auf die Sterne und können auf seine Anwesenheit schließen. Ein isoliertes schwarzes Loch, das sich allein irgendwo im Weltall befindet, können wir allerdings nicht sehen. Aber, das hat uns die Erforschung von W44 gezeigt, wenn wir uns die Molekülewolken und Supernovaüberreste genau anschauen und nach Gas suchen, dass sich schneller bewegt, als es sollte: Dann haben wir eine Chance, den schwarzen Löchern auf die Spur zu kommen.

Sternengeschichten Folge 640: Besteht das Universum aus Mathematik?

Ich habe in den Sternengeschichten immer wieder über Mathematik geredet. Denn man braucht die Mathematik, wenn man die Welt verstehen will. Das, was in der Natur passiert, lässt sich durch mathematische Regeln und Gesetz beschreiben. Oder, wie es der Physiker Galileo Galilei im 17. Jahrhundert etwas poetischer ausgedrückt hat: "Die Philosophie ist geschrieben in jenem grossen Buche, das immer vor unseren Augen liegt; aber wir können es nicht verstehen, wenn wir nicht zuerst die Sprache und die Zeichen lernen, in denen es geschrieben ist. Diese Sprache ist Mathematik, und die Zeichen sind Dreiecke, Kreise und andere geometrische Figuren, ohne die es dem Menschen unmöglich ist, ein einziges Wort davon zu verstehen; ohne diese irrt man in einem dunklen Labyrinth herum.". Und im 20. Jahrhundert hat der Quantenphysiker Eugene Wigner sogar gesagt: "Die enorme Nützlichkeit der Mathematik für die Naturwissenschaften ist etwas, das an ein Geheimnis grenzt und für das es keine vernünftige Erklärung gibt. Es ist ganz und gar nicht natürlich, dass 'Gesetze der Natur' existieren, und noch weniger, das der Mensch in der Lage ist, sie zu erkennen."

Und damit hat Wigner auch irgendwie recht. Es ist höchst erstaunlich, dass die Mathematik so gut darin ist, das zu beschreiben, was da draußen im Universum passiert. Und nicht nur das: Mit der mathematischen Beschreibung der Welt können wir sogar Vorhersagen treffen und Dinge entdecken, von denen wir vorher nichts wussten. Als Albert Einstein zum Beispiel die mathematische Beschreibung seiner allgemeinen Relativitätstheorie entwickelt hat, hat er noch nichts von schwarzen Löchern gewusst. Aber wenn man seine Gleichungen auf eine bestimmte Weise löst, dann bekommt man als Ergebnis die mathematischen Gleichungen, die ein Objekt beschreiben, das sich wie ein schwarzes Loch verhält. Einstein hat das interessant gefunden, aber nicht als real angesehen. Sondern halt einfach nur als etwas, das mathematisch in den Gleichungen steckt, deswegen aber noch lange nicht im echten Universum existieren muss. Erst später hat man dann tatsächlich echte schwarze Löcher da draußen im Kosmos entdeckt.

Wir wissen also seit langem, dass die Mathematik enorm effektiv ist, um das Universum zu beschreiben und zu verstehen. Wir wissen aber immer noch nicht, warum das so ist. Eine sehr radikale Antwort auf diese letzte Frage könnte lauten: Das Universum ist deswegen so gut mathematisch beschreibar, weil es in Wahrheit Mathematik IST. Das klingt komisch und unverständlich. Und es wird leider auch bei näherer Betrachtung nicht weniger komisch und unverständlich. Dass unser Universum quasi aus Mathematik besteht ist die Kernaussage der Theorie des Mathematischen Universums, die der schwedisch-amerikanische Kosmologie Max Tegmark im Jahr 2008 entwickelt hat.

Tegmark behauptet darin, dass die Mathematik nicht nur ein Modell ist, um Dinge und Phänomene in der Welt zu beschreiben. Sondern die Dinge und Phänomene, inklusive des Univerums, SIND mathematische Strukturen. Oder etwas anders gesagt: Mathematische Konstrukte sind keine abstrakten Beschreibungen, sondern existieren tatsächlich, unabhängig von uns Menschen. Vereinfacht gesagt: Ein Kreis ist nicht einfach nur ein mathematisches Objekt, definiert als Menge aller Punkte in einer Ebene, die alle exakt den selben Abstand von einem Mittelpunkt haben. Sondern ein Kreis IST EIN KREIS und existiert, egal ob wir da sind, um zu definieren was ein Kreis ist oder nicht. Laut Tegmark ist das Universum nichts, was durch Mathematik beschrieben werden kann, sondern ist selbst eine mathematische Struktur. Wenn etwas mathematisch existiert, also konfliktfrei und logisch konsistent mathematisch beschrieben werden kann, dann existiert es auch in echt. Mathematische Existenz ist gleich physikalische Existenz.

Wie soll man sich das vorstellen? Am besten gar nicht… Aber laut Tegmark ist es auch nicht so einfach, sich das vorzustellen, weil wir ja mitten drin sind und selbst auch nur mathematische Strukturen. Unser Universum ist eine so komplexe mathematische Struktur, dass es "selbstbewusste Unterstrukturen" enthält, die sich selbst so wahrnehmen, als würden sie in einer echten, physikalischen Welt leben.

Das klingt alles ziemlich verrückt. Meiner persönlichen Meinung nach ist es auch ziemlich verrückt. Aber in der Wissenschaftsphilosophie und Kosmologie gibt es diverse Leute, die Tegmarks Thesen ernsthaft diskutieren. Tegmark behauptet, dass sein mathematisches Universum jede Menge Probleme lösen kann und nicht nur erklärt, warum Mathematik so gut darin ist, das Universum zu beschreiben. Wir müssen uns dann auch nicht mehr fragen, warum das Universum so ist, wie es ist. Ich habe ja schon in Folge 423 über die Feinabstimmung des Universums gesprochen, also über die Frage, warum das Universum so aussieht, wie es aussieht und warum es so aussieht, als wäre das alles grad irgendwie passend für uns Menschen. Das ist in Tegmarks Universum keine sinnvolle Frage mehr, denn das mathematische Universum ist auch ein Multiversum. Weil alles existiert, was mathematisch existiert, existieren natürlich unzählige unterschiedliche mathematische Strukturen mit allen möglichen Eigenschaften und unser Universum ist nur eine davon und halt gerade die, die sie ist.

Ich bleibe immer noch dabei, dass das alles sehr verrückt ist. Denn auch wenn es natürlich spannend ist, auf diese Weise über das Universum nachzudenken, liefert es auf viele Fragen keine Antworten. Zum Beispiel die Frage nach dem Ursprung. Mathematische Strukturen sind zeitlos; es macht zum Beispiel keinen Sinn zu fragen, wann die Zahl Pi entstanden ist oder wann es das erste Dreieck gegeben hat. Mathematische Strukturen haben keinen Anfang und kein Ende und das gilt dann in Tegmarks Theorie logischerweise auch für das Universum selbst. Das Universum existiert, weil es mathematisch möglich ist, dass es existiert. Das kann man für eine befriedigende Antwort halten, aber man muss es nicht tun…

Und sieht man einmal davon ab, dass Tegmarks Theorie das Konzept von "Existenz" nicht klar beschreibt und genau so wenig Antworten auf die Fragen nach dem Ursprung liefert, wie andere Theorien, haben wir auch mit der Zeit ein Problem. Wenn das ganze Universum und wir auch nur mathematische Strukturen sind, also einfach nur eine Sammlung von mathematischen Objekten und Gesetzen, wieso erleben wir dann Zeit und Veränderung? Und wenn die ganze Sache mit dem mathematischen Universum mehr sein soll, als nur ein mehr oder weniger sinnvolles Gedankenspiel, dann muss die Theorie auch irgendwie überprüft oder falsifiziert werden können.

Tegmark behauptet, dass das möglich ist. Wir könnten uns zum Beispiel Naturkonstanten wie die Feinstrukturkonstante anschauen. Die gibt, vereinfacht gesagt, an, wie stark die elektromagnetische Kraft ist und damit auch, welche Arten von Teilchen und Atomen existieren können, wie sie wechselwirken, und so weiter. Wenn sie nicht den Wert hätte, den sie hat, dann gäbe es keine stabile Materie und keine Sterne, keine Planeten, keine Menschen, und so weiter. Tegmark sagt jetzt, dass wir nur alle möglichen mathematischen Strukturen anschauen müssen, also quasi alle Universen in diesem mathematischen Multiversum. Und dann schauen, welchen Wert die Feinstrukturkonstante jeweils dort hat. Wenn es das mathematische Multiversum tatsächlich gibt, dann ist es wahrscheinlich, dass wir in einem typischen Universum leben und nicht in einem enorm speziellen - "unser" Wert der Feinstrukturkonstante sollte also nicht zu weit von dem der anderen Universum abweichen. Ok. Abgesehen davon, dass es alles andere als einfach ist, mal eben die Naturkonstanten aller mathematisch möglichen Universen zu berechnen, kann man auch anderer Ansicht sein, was die Wahrscheinlichkeiten angeht. Warum sollen wir nicht in einem untypischen Universum leben? Aber das ist halt Philosophie… ich will definitiv nicht behaupten, dass das alles Quatsch ist. Philosophie ist durchaus ein wichtiger Weg, die Welt zu betrachten und zu verstehen. Aber in diesem Fall braucht es mehr als nur ein paar interessante Ideen.

Das mathematische Universum erscheint genau dann als sinnvolle Idee zur Beschreibung des Universums, wenn man es als sinnvolle Idee zur Beschreibung des Universums betrachten will. Ist das nicht der Fall, dann ist es nicht mehr als einfach nur eine Idee.

Die Mathematik ist zuallererst einmal sich selbst genug. Sie muss die reale Welt nicht beschreiben, aber sie tut es in vielen Fällen. Tegmark hat die Sache mit dem mathematischen Universum natürlich noch sehr viel ausführlicher beschrieben, als ich das in dieser Folge dargestellt habe; er hat sogar ein ganzes Buch darüber geschrieben. Aber das ändert nichts daran, dass wir die Sache nicht überprüfen können und dass sie genaugenommen nicht überprüfbar IST. Man kann gerne daran glauben, dass alles Mathematik ist, aber das muss man eben glauben. Und wenn man etwas glauben muss, kann es kein Wissen sein.

Sternengeschichten Folge 639: Wie berechnet man die Wahrscheinlichkeit für einen Asteroideneinschlag?

Asteroideneinschläge waren schon oft Thema in den Sternengeschichten. Ich habe davon erzählt, was passiert, wenn ein Asteroid auf der Erde einschlägt, ich habe ausführlich darüber gesprochen, wie man solche Katastrophen verhindern kann und über die Asteroiden selbst natürlich auch. Aber ich habe noch nicht davon erzählt, wie man eigentlich herausfindet, ob ein Asteroid mit der Erde kollidieren wird oder nicht.

Das klingt jetzt eigentlich nicht schwer, oder? Man findet einen Asteroid, bestimmt seine Umlaufbahn und wenn die die Umlaufbahn der Erde kreuzt, dann kracht es irgendwann. Und das ist zwar einerseits richtig, andererseits aber auch nicht, denn sonst wären wir mit dieser Folge jetzt auch schon wieder durch.

Was auf jeden Fall reine Fantasie ist, ist das, was man in vielen Hollywoodfilmen zu Asteroideneinschlägen sehen kann. Da schaut ja meistens irgendwer durch ein Teleskop, sieht einen Asteroid, tippt ein wenig auf dem Computer rum und stellt dann sofort erschrocken fest: Es wird einen Einschlag geben (und meistens ist dann auch sofort klar, wo genau der Asteroid einschlagen wird, nämlich natürlich irgendwo in den USA).

In der Realität läuft das ganz anders. Da wissen wir eigentlich nie mit absoluter Sicherheit, dass ein Asteroid mit der Erde kollidieren wird. Sondern können nur eine bestimmte Kollisionswahrscheinlichkeit angeben. Aber warum eigentlich? So ein Asteroid ist ja kein Auto, dass plötzlich auf einem Ölfleck im Weltall ins Schleudern kommt und in die Erde kracht. Oder sich in der Kurve versteuert und aus der Umlaufbahn getragen wird. Ein Asteroid bewegt sich im wesentlichen aufgrund der Gravitationskräfte die auf ihn wirken und die können wir ja sehr gut und sehr genau berechnen. Wir sollten doch wissen, wo sich der Asteroid bewegt und feststellen können, ob er jetzt mit uns kollidieren wird oder nicht. Wieso können wir das nicht sicher sagen?

Die Antwort auf diese Frage ist einfach: Natürlich können wir die Gravitationskräfte sehr genau berechnen. Aber eben nicht beliebig genau. Die hängen einerseits von den Positionen und Massen der relevanten Himmelskörpern ab, also vor einmal den Planeten und der Sonne. Aber auch den größeren Asteroiden, den Monden und was da sonst noch so im Sonnensystem rumschwirrt. Und andererseits von der Position und Masse des potenziell gefährlichen Asteroiden selbst. Wir wissen zwar sehr gut, wie schwer die Planeten und die Sonne sind und wo sie sich bewegen; die haben wir ja schon lange genug beobachtet. Das selbe gilt für die Monde und die großen Asteroiden. Aber wir können nicht ALLE Himmelskörper im Sonnensystem in unseren Berechnungen berücksichtigen, das sind einfach zu viele. Und auch wenn der Einfluss zum Beispiel der Asteroiden gering ist, verglichen mit dem der Planeten und der Sonne, ist er doch vorhanden. Das heißt, wir machen in unseren Berechnungen zwangsläufig einen Fehler, wenn wir nicht alle vorhandenen Objekte berücksichtigen, sondern nur ein paar. Viel größer ist aber der Fehler, der in unseren Berechnungen entsteht, weil wir die Position des gefährlichen Asteroiden selbst nicht genau bestimmen können. Jede Beobachtung die wir machen, ist immer fehlerhaft. Oder besser gesagt: Sie ist nicht fehlerhaft, aber sie ist mit Messungenauigkeiten behaftet, weil unsere Teleskope und Messinstrumente nicht perfekt sind und nie perfekt sein können.

Wir wissen also nicht exakt, wie die Bahn des Asteroiden aussieht, wir wissen es nur innerhalb gewisser Grenzen. Und damit sind wir jetzt beim eigentlichen Thema dieser Folge: Der Berechnung der Kollisionswahrscheinlichkeit. Das erste, was uns interessiert, wenn wir die Gefahr eines Asteroideneinschlags einschätzen wollen, ist die sogenannte "Minimum Orbit Intersection Distance" oder kurz MOID. Dazu sieht man sich die Umlaufbahn der Erde an und die Umlaufbahn des Asteroiden. Dann sucht man die Punkte auf den beiden Bahnen, die einander am nächsten liegen und der Abstand zwischen diesen beiden Punkten ist die Minimum Orbit Intersection Distance. Auch hier kann man natürlich kein exaktes Ergebnis finden, weil ja, wie ich gerade erklärt habe, die Umlaufbahn des Asteroiden nur innerhalb gewisser Grenzen bekannt ist. Aber die MOID gibt schon mal gewisse Anhaltspunkte, wie groß die Gefahr ist. Wenn der Abstand zwischen den einander nächstgelegenen Punkten der Umlaufbahnen sehr groß ist, dann muss man sich eher weniger Sorgen machen. Ist er dagegen klein, sollte man genauer hinsehen. Und wenn der Abstand gleich Null ist, die Umlaufbahnen von Erde und Asteroid einander also direkt kreuzen, dann ist die Kollision sicher? Nein! Denn eine Kollision gibt es ja nur dann, wenn der Asteroid und die Erde zur selben Zeit am selben Ort sind. Theoretisch können sie sich auch auf kreuzenden Umlaufbahnen kollisionsfrei bewegen, wenn sie sich dabei nie treffen.

Wir müssen also nicht nur die Umlaufbahn des Asteroiden sehr genau kennen, wir müssen auch noch sehr genau wissen, wo entlang seiner Bahn sich der Asteroid zu jedem bestimmten Zeitpunkt befindet. Und das macht alles sehr kompliziert. Das grundlegende Prinzip ist aber eigentlich sehr simpel. Stellen wir uns so einen potenziell gefährlichen Asteroid vor, wie er da irgendwo im Weltall schwebt. Wir wissen, dass er da ist, wir wissen auch halbwegs genau, wo er ist. Aber wir wissen es eben nicht exakt. Wir können - etwas vereinfacht gesagt - nur sagen, dass er sich innerhalb eines gewissen Bereichs des Weltraums befindet. Wir könnten jetzt mit unserem Wissen über die Gravitationskräfte einfach ausrechnen, wo sich dieser Asteroid in Zukunft befinden wird und natürlich auch berechnen, wo sich die Erde in Zukunft hinbewegen wird. Und dann schauen wir einfach, ob sie zusammenstoßen oder nicht. Und genau das macht man auch. Aber wenn man das so macht, dann werden wir eben kein eindeutiges Ergebnis kriegen, weil wir eben nicht genau wissen, wo der Asteroid ist. Deswegen macht man in der Praxis etwas anderes: Wir füllen den ganzen Raum, in dem der Asteroid sich befinden könnte, mit jeder Menge Kopien des Asteroiden. Sagen wir, 1000 Stück. Und dann berechnen wir für alle 1000 Asteroiden, wohin sie sich in Zukunft bewegen werden und ob sie mit der Erde kollidieren. Wenn alle 1000 an der Erde vorbei fliegen, müssen wir uns keine Sorgen machen. Denn das bedeutet, dass unsere Beobachtungsfehler keine Rolle spielen. Wir wissen zwar nicht, wo genau der Asteroid ist, aber von jeder möglichen Position aus, die er haben kann, wird er die Erde verfehlen: Er wird uns also mit Sicherheit verfehlen. Wenn alle 1000 Asteroiden die Erde treffen, ist die Situation zwar katastrophaler, aber zumindest ebenso klar. Von allen möglichen Positionen aus wird der Asteroid mit uns zusammenstoßen und eine Kollision wird mit Sicherheit stattfinden. In der Realität werden aber ein paar der 1000 Asteroiden mit der Erde kollidieren und ein paar nicht. Wenn jetzt zum Beispiel 250 von den 1000 die Erde treffen, dann bedeutet dass, dass es eine Kollisionwahrscheinlichkeit von 25 Prozent gibt.

Wir können uns die Sache auch noch auf andere Weise vorstellen. Wir wissen nicht, an welchen Punkt sich der Asteroid exakt befindet. Und können daher, ausgehend von diesem Punkt, auch keine exakte Linie zeichnen, die seine Umlaufbahn angibt. Wir kennen nur einen Bereich, in dem sich der Asteroid befinden muss und die Umlaufbahn, die wir zeichnen können, ist keine Linie, sondern eher ein Schlauch, der sich um die Sonne windet. Irgendwo innerhalb dieses Schlauchs wird sich der Asteroid bewegen, wir wissen aber nicht, wo genau. Wenn sich auch die Erde in diesem Schlauch befindet, dann könnte es eine Kollision geben und die Kollisionswahrscheinlichkeit entspricht dem Verhältnis der Querschnittsflächen von Schlauch und Erde. Oder anders gesagt: Ist der Schlauch sehr groß, dann nimmt die Erde darin nur wenig Platz ein und die Wahrscheinlichkeit, dass sie getroffen wird, ist gering. Ist der Schlauch aber sehr dünn und befindet sich die Erde in diesem dünnen Schlauch, dann nimmt sie darin viel Raum ein und die Kollisionswahrscheinlichkeit ist groß.

Am Ende ist das aber alles irgendwie unbefriedigend. Wir wollen ja sicher wissen, ob es eine Kollision gibt oder nicht, damit wir wissen, ob wir vielleicht etwas unternehmen müssen. Eine Kollisionswahrscheinlichkeit ist zwar interessant, aber wir wollen Sicherheit, keine Wahrscheinlichkeit. Der einzige Weg, das zu erreichen, sind mehr Beobachtungen. Vor allem aber Beobachtungen über einen möglichst langen Zeitraum. Je länger wir den Weg des Asteroiden verfolgen und vermessen, desto genauer können wir seine Bahn berechnen und desto dünner wird der Schlauch. Und wenn wir Glück haben, ist der Schlauch irgendwann so dünn, dass die Erde sich außerhalb befindet. Wenn wir Pech haben, wird der Schlauch dünner als die Erde und führt mitten durch sie durch: Dann gibt es eine Kollision.

Wenn man sich diese ganzen Berechnungen klar macht, dann versteht man übrigens auch, warum die Kollisionwahrscheinlichkeit von manchen Asteroiden zuerst immer größer wird, je mehr Daten man hat, bevor sie dann plötzlich auf Null fällt. Zuerst ist die Umlaufbahn noch ungenau und der Schlauch ist groß. Die Erde nimmt nur einen kleinen Raum des Schlauchs ein. Je mehr Daten man sammelt, desto dünner wird der Schlauch. Die Erde aber bleibt ja immer gleich groß und nimmt verhältnismäßig immer mehr Raum im immer dünner werdenden Schlauch ein. Deswegen steigt die Kollisionwahrscheinlichkeit an und erst wenn der Schlauch so dünn wird, dass sich die Erde komplett außerhalb befindet, fällt sie schlagartig auf Null.

Wir haben mittlerweile sehr gute mathematische Methoden entwickelt, um zu berechnen, wie wahrscheinlich es ist, das ein Asteroid mit der Erde kollidiert. Aber wir können nur dann mit Sicherheit Bescheid wissen, wenn wir ausreichend viele Beobachtungsdaten gesammelt haben. Und das kann leider oft dauern. Aber die Unsicherheit hat zumindest ein gutes: Je gefährlicher ein Asteroid aussieht, desto mehr Teleskope werden eingesetzt, um die Gefahr einzuschätzen. Und früher oder später wissen wir dann Bescheid, ob es eine Kollision gibt oder - hoffentlich - nicht gibt.

Sternengeschichten Folge 638: Geminga, der Pulsar voller Rätsel

Vor der Küste von Kenia befindet sich die so gar nicht kenianisch klingende San-Marco-Plattform. Dort, in der Nähe des Äquators hat die italienische Raumfahrtagentur im Jahr 1964 einen Raketenstartplatz gebaut und von dort am 15. November 1972 im Auftrag der NASA einen kleinen Satelliten ins All geschickt. Der Name des kleinen Satelliten war dann auch SAS-2, was für "Small Astronomy Satellite 2" steht. Und er war wirklich klein: Er hatte nur einen Durchmesser von knapp 60 Zentimetern, ein Gewicht von 186 Kilogramm und nur ein einziges Messinstrument an Bord, mit dem man hochenergetische Gammastrahlung nachweisen kann. Aber das war ausreichend, um damit unter anderem einen Himmelskörper zu entdecken, von dem man lange Zeit nicht einmal wusste, ob er wirklich da ist und den wir selbst heute nicht vollständig verstehen.

Fangen wir mit der Gammastrahlung an. Das ist ganz normale elektromagnetische Strahlung, genau wie das normale Licht, das wir mit unseren Augen sehen können. Nur dass die Gammastrahlung sehr viel mehr Energie hat und deswegen eine sehr viel kleinere Wellenlänge. Unsere Augen können sie nicht sehen, aber mit entsprechenden Messinstrumenten können wir sie nachweisen. Auf der Erde kennen wir die Gammastrahlung als den sehr gefährlichen, hochenergetischen Anteil der radioaktiven Strahlung. Aber man hat schon den 1940er Jahren vermutet, dass es Gammastrahlung auch im Weltall geben könnte. Nicht, weil da irgendwer Atombomben zündet oder marode Kernkraftwerke betreibt. Sondern weil es auch diverse natürliche, astronomische Prozesse gibt, bei denen Gammastrahlung frei wird. Sehr starke Supernova-Explosionen zum Beispiel oder sehr heißes, sich sehr schnell bewegendes Gas. Gammastrahlung wird auch frei, wenn Materie extrem schnell um ein schwarzes Loch wirbelt, und so weiter. Das Problem ist allerdings: Die Erdatmosphäre lässt die Gammastrahlung aus dem Weltall nicht durch. Ok, das ist nur ein Problem für die Astronomie, für uns Menschen ist das allgemein ziemlich gut, denn diese Strahlung ist gefährlich für uns. Für die Forschung hat das aber bedeutet, dass man erst dann nachsehen konnte, ob da wirklich Gammastrahlung im Weltall ist, als man in der Lage war, Raketen mit Messinstrumenten in den Weltraum zu schicken.

Das hat man ab 1961 gemacht und SAS-2 war dann der erste Satellit, dessen Aufgabe es war, eine umfangreiche Karte des ganzen Himmels im Gammalicht zu erstellen. Das Resultat: Man konnte tatsächlich jede Menge Gammastrahlungsquellen finden. Die meisten davon waren bekannt, zumindest insofern als man in der Richtung aus der die Strahlung kam, mit anderen Instrumenten Objekte sehen konnte, von denen man gewusst hat, dass sie Gammastrahlung produzieren. Das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße zum Beispiel, oder die Überreste von Supernovaexplosionen. Aber, und deswegen forscht man ja, man hat auch Gammastrahlungsquellen gefunden, die unbekannt waren. Auch die hat man im Laufe der Zeit identifizieren können, mit vorerst einer Ausnahme. Aus Richtung des Sternbilds Zwilling kam Gammastrahlung die man nicht zuordnen konnte. Die Auflösung von SAS-2 war aber auch nicht sehr gut, das heißt man konnte auch nicht exakt sagen, wo die Strahlung her kam. Aber normalerweise nutzt man in solchen Fällen andere Instrumente um mehr Informationen zu kriegen. Man kann zum Beispiel mit Radioteleskopen schauen, ob aus der Gegend Radiostrahlung kommt. Denn bei den meisten Prozessen, die Gammastrahlung freisetzen wird auch Radiostrahlung frei. In der fraglichen Region im Sternbild Zwillinge hat man ein paar Supernova-Überreste gefunden, also heißes Gas das sich schnell bewegt. Man hat in der Richtung eine andere Galaxie entdeckt und ein paar andere Radioquellen. Aber keine davon hat wirklich überzeugend gepasst.

Was auch noch in Frage kommen würde, wäre ein Pulsar. Was das ist, habe ich in vergangenen Folgen auch schon erklärt: Wenn ein großer Stern am Ende seines Lebens bei einer Supernova-Explosion aufhört zu existieren, bleibt der extrem verdichtete Kern übrig. Der ist nur ein paar Dutzend Kilometer groß, hat aber immer noch so viel Masse wie die Sonne. So etwas nennt man Neutronenstern und die Dinger rotieren extrem schnell - ein paar tausend Mal pro Sekunde um ihre Achse und haben auch extrem starke Magnetfelder. Dabei entstehen auch elektrische Felder, die Teilchen aus der Umgebung des Neutronensterns sehr schnell beschleunigen können und solche stark beschleunigten Teilchen können Gammastrahlung aussenden. So ein Neutronenstern erzeugt aber auch Radiostrahlung und die können wir beobachten. Weil die Strahlung nicht gleichmäßig in alle Richtungen abgegeben wird, sondern nur durch einen schmalen Kegel entlang der Rotationsachse, kann so ein Neutronenstern wie ein Leuchtturm funktionieren. Wenn der Strahlungskegel durch die Rotation regelmäßig über die Erde streicht, sehen wir quasi ein "Blinken" im Radiolicht, das extrem regelmäßig ist. So etwas nennt man Pulsar und man hat vermutet, dass die ominöse Gammastrahlungsquelle im Sternbild Zwilling genau so ein Pulsar ist.

Nur: Egal wie sehr man gesucht hat, man hat nirgendwo passende Radiostrahlung gefunden. Auch der 1975 gestartete Gammastrahlungssatellit Cos-B der Europäischen Weltraumorganisation hat das Rätsel nicht lösen können. Deswegen hat er auch die Bezeichnung "Geminga" bekommen. Das steht einerseits sehr prosaisch für "Gemini Gamma-Ray Source", als Gammastrahlungsquelle im Zwilling. Andererseits bedeutet "gh'è minga" im lombardischen Dialekt der rund um Mailand gesprochen wird auch so viel wie "ist nicht da", was Giovanni Bignami, dem italienischen Astronomen und Entdecker der Gammastrahlungsquelle, sehr passend vorgekommen ist.

Erst 1991 konnte man mit dem Röntgensatellit ROSAT zeigen, dass dort, wo Geminga sein sollte tatsächlich etwas ist. Und zwar tatsächlich ein Pulsar, der zwar Gammastrahlung und auch Röntgenstrahlung abgibt. Aber überraschenderweise so gut wie keine Radiostrahlung. Geminga ist eines der wenigen bekannten Beispiele für einen "radioleisen" Pulsar.

Und bevor wir uns anschauen, was das ist, fasse ich noch einmal den aktuellen Stand des Wissens zusammen. Geminga ist ein Pulsar, also ein schnell rotierender Neutronenstern, der Überrest eines ehemals großen Sterns. Er befindet sich nur gut 800 Lichtjahre von der Erde entfernt und ist damit der uns am nächsten gelegene Pulsar den wir kennen. Oder der zweitnächste nach dem Vela-Pulsar; da sind die Entfernungsmessungen noch nicht exakt genug. Allein das würde das Objekt schon sehr spannend für die Wissenschaft machen. Dass Geminga noch dazu so seltsam ist, ist ein extra Bonus.

Die erste Seltsamkeit ist, wie vorhin erwähnt, die Tatsache, dass er radioleise ist. Ein möglicher Grund dafür ist natürlich zuerst der offensichtliche: Der Strahlungskegel seiner Radiostrahlung überstreicht die Erde nicht, deswegen sehen wir mit den Radioteleskopen auch nichts. Es kann aber auch an seinem Alter liegen: Geminga ist vor circa 300.000 Jahren bei einer Supernova-Explosion entstanden. Es könnte sein, dass die Prozesse, die bei einem Pulsar die Radiostrahlung erzeugen im Laufe der Zeit weniger effizient werden. Das heißt: Je älter der Pulsar, desto größer wird der Gammastrahlungsanteil an seiner gesamten Strahlung. Und das, was die Strahlung produziert, sind ja die diversen, komplexen Wechselwirkungen zwischen dem Magnetfeld des Pulsars und den Teilchen in seiner unmittelbaren Umgebung. Das muss nicht bei jedem Pulsar gleich ablaufen, vielleicht ist bei Geminga irgendwas anders? Zusammengefasst: Geminga ist ein Pulsar voller Rätsel und wenn wir es schaffen, diese Rätsel zu lösen, dann haben wir damit auch gleich ein paar ganz andere Rätsel über das allgemeine Verhalten so seltsamer Objekte wie Neutronensterne gelöst.

Deswegen schauen wir auch immer wieder hin und unsere Teleskope werden immer besser. Das im Jahr 2008 gestartete Fermi-Weltraum-Gammastrahlungsteleskop der NASA hat das natürlich auch getan und 2019 eine regelrechte, ausgedehnte Hülle aus Gammastrahlung um Geminga herum entdeckt. Könnten wir das mit unseren Augen sehen, dann würde Geminga am Himmel 40 mal größer als der Vollmond erscheinen. Das liegt - vereinfacht gesagt - daran, dass Geminga mit seiner Gammastrahlung das Sternenlicht in seiner Umgebung beeinflusst. Wie ich vorhin erklärt habe, entsteht die Gammastrahlung durch die Teilchen, die vom Magnetfeld des Pulsars beschleunigt werden. Diese Teilchen sind unter anderem Elektronen, die aus der Oberfläche des Neutronensterns gerissen werden. Sie werden auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, entfernen sich von Geminga und treffen dort auf das normale Sternenlicht, also auf normale Lichtteilchen, die von den Sternen in der Umgebung stammen. Wenn die schnellen Elektronen und das Licht miteinander wechselwirken, dann entsteht ebenfalls Gammastrahlung.

Geminga hat uns aber auch Hinweise darauf gegegen, wieso manche Pulsare Planeten haben. Wir kennen nicht viele solcher Objekte, aber ein paar und was wir da wissen, habe ich in Folge 355 ausführlich erzählt. Denn ein Pulsar ist ja ein toter Stern, der Rest einer gewaltigen Supernova. Wenn da früher mal Planeten waren, sollten die danach weg sein. Was auch so ist, aber unter Umständen können aus den Trümmern der Explosion neue Planeten entstehen. Geminga zeigt uns, wie das gehen könnte. Der Pulsar bewegt sich nämlich sehr schnell, viel schneller als Sterne das üblicherweise tun. Er pflügt regelrecht durch das interstellare Gas, also das bisschen an Materie, das sich zwischen den Sternen befindet. Er erzeugt dabei eine Art Bugwelle, wie es auch Schiff tut, das schnell durchs Wasser fährt. In der Bugwelle kann Gas und Staub quasi aufgesammelt werden und ein bisschen was davon könnte in die Nähe des Pulsars gelangen und wenn sich im Laufe der Zeit genug davon angesammelt hat, können daraus Planeten entstehen. Man hat mit entsprechenden Beobachtungen bei Geminga zwar noch keine Planeten gefunden, aber dafür jede Menge Staub und Gas.

Es ist viel Zeit vergangen, seit wir Geminga entdeckt haben. Aber es wird noch sehr viel mehr Zeit vergehen, bis wir dieses faszinierende Objekt wirklich verstanden haben.

Sternengeschichten Folge 637: Eugene Parker und der Sonnenwind

Die Sonne leuchtet: Das ist eine sehr fundamentale astronomische Beobachtung und eine, die sehr einfach durchzuführen ist. Die Sonne macht aber noch viel mehr und es hat ein wenig gedauert, bis wir das verstanden haben. Die längste Zeit über war die Sonne in unserer Vorstellung einfach genau das, wonach es auch aussieht, nämlich eine Kugel, die leuchtet. Dass da noch mehr ist, dass die Sonne ein dynamisches Objekt ist, und nicht einfach nur eine eigenschaftslose Lichtquelle: Das haben wir lange Zeit über nicht verstanden. Das gilt ganz besonders für das Phänomen, das wir heute "Sonnenwind" nennen.

Dass die Sonne mehr Einfluss auf ihre Umgebung hat als einfach nur durch ihr Licht, hat man das erste Mal so richtig im 19. Jahrhundert vermutet. Im Jahr 1859 fand das Carrington-Ereignis statt, von dem ich in Folge 484 ausführlich erzählt habe. Dabei hat es sich um eine gewaltige Sonneneuruption gehandelt, die auf der Erde für einen magnetischen Sturm gesorgt hat. Die Telegrafennetze brachen damals zusammen, es gab gewaltige Polarlichter und das hat den englischen Astronom Richard Carrington vermuten lassen, dass es da einen Zusammenhang geben muss; dass irgendwas zusätzlich zum Sonnenlicht von der Sonne zur Erde gelangt ist und die Ereignisse dort ausgelöst hat. Der norwegische Physiker Kristian Birkeland hat zu Beginn des 20. Jahrhunderts ebenfalls vermutet, dass die Polarlichter allgemein durch Teilchen ausgelöst werden, die von der Sonne zur Erde gelangen. Damals hat man aber gerade erst angefangen, die Details der Dynamik in der Sonne zu verstehen und weder Carrington noch Birkeland wurden mit ihrer Idee der Teilchenströme von der Sonne ernst genommen.

Und jetzt verlassen wir kurz die Geschichte und schauen mit dem Wissen von heute auf die Sonne. Dann ist es nämlich gar nicht schwer zu verstehen, dass sie mehr als nur Licht ins All hinaus schickt. Die Sonne ist eine riesige Kugel aus sehr heißem Gas. Die Teilchen bewegen sich sehr schnell, sie sind auch elektrisch geladen und erzeugen bei ihrer Bewegung elektrische und magnetische Ströme. In den äußersten Schichten der Sonnenatmosphäre können die Gasteilchen jetzt einerseits durch die hohen Temperaturen und andererseits durch die magnetischen Felder so beschleunigt werden, dass sie die Sonne verlassen. Sie strömen hinaus ins All und können das vergleichsweise langsam und in vergleichsweiser geringe Menge tun. Oder aber sehr viele Teilchen auf einmal strömen sehr schnell ins All. Das ist dann eine Sonneneruption, die - sehr vereinfacht gesagt - durch elektrische Kurzschlüsse auf der Sonne ausgelöst wird.

Das mit den Sonneneruptionen hat man auch schon im frühen 20. Jahrhundert gewusst und akzeptiert. Aber das, was der deutsche Astronom Ludwig Biermann im Jahr 1951 veröffentlicht hat, ist vorerst immer noch auf Widerstand gestoßen. Biermann hat einen Artikel geschrieben, mit dem Titel "Kometenschweife und solare Korpuskularstrahlung". Er hat darin überlegt, warum Kometen und ihre Schweife sich so verhalten, wie sie es tun. Auch das habe ich schon oft erklärt: Wenn ein Komet in die Nähe der Sonne gelangt, taut das gefrorene Material auf seiner Oberfläche auf, strömt ins All und reißt dabei Staub mit sich. Der bildet dann einen Schweif, der immer von der Sonne weg zeigt, egal wie sich der Komet gerade bewegt. Grund dafür ist der Strahlunsdruck, also die Kraft, die das Licht selbst auf die Staubteilchen ausübt. Das ist das einfache Bild, im Detail ist es aber komplizierter. Ein Komet hat nämlich nicht nur so einen Staubschweif, sondern auch oft einen zweiten, einen Plasmaschweif. Der besteht aus ionisierten Molekülen, also geladenen Teilchen. Auch dieser Schweif zeigt immer von der Sonne weg, ist im Gegensatz zum Staubschweif aber gerade. Der Staubschweif ist gekrümmt, weil der Stahlungsdruck unterschiedlich stark auf die unterschiedlich großen Staubteilchen wirkt. Beim Plasmaschweif ist das nicht der Fall und wenn man ganz genau beobachtet, dann sieht man auch, dass er nicht exakt von der Sonne weg zeigt. Biermann hat beide Phänomene mit einer "solaren Korpuskularstrahlung" erklärt, also einem ständigen Strom von Teilchen der von der Sonne ausgeht. Diese Teilchen wäre einerseits schnell genug um die Moleküle aus der Umgebung der Oberfläche des Kometen zu einem geraden Schweif davon zu pusten. Und andererseits bewegt sich ja der ganze Komet durch diesen Strom und die Bewegung des Kometen in Kombination mit der Richtung aus der die Teilchen der Sonne kommen führt dazu, dass der Plasmaschweif ein bisschen verschoben wird. Ich will das jetzt nicht im Detail erklären, aber es funktioniert ein wenig so wie die Aberration des Sternenlichts, von der ich schon in Folge 83 erzählt habe.

Aber Biermanns Arbeit wurde in der Astronomie nicht sehr freudig aufgenommen. Ein ständiger Teilchenstrom der von der Sonne ausgeht: Das ist den meisten nicht plausibel erschienen. 1956 hat Biermann in den USA den Physiker John Simpson besucht. Der war damals eine absolute Authorität bei der Erforschung der kosmischen Strahlung und der Physik die zwischen Sonne und Erde stattfindet. Aber auch Simpson war nicht von Biermanns Forschung überzeugt. Wenn die Sonne dauernd Teilchen ins All schickt, dann müsste sie ja irgendwann "leer" sein - und außerdem war Simpson vom damaligen Bild der Sonnenatmosphäre überzeugt und das hat sie als statisch beschrieben, also so wie die Erdatmosphäre. Da tut sich zwar ein bisschen was, aber im Wesentlichen ist das halt einfach Gas, das jetzt nicht wilde Dinge anstellt. Trotzdem hat Simpson einen jungen Mitarbeiter gebeten, sich die Sache von Biermann mal in Ruhe anzusehen. Dieser Mitarbeiter war Eugene Parker, damals erst 29 Jahre alt. Parker hat sich die Sache aber nicht nur angesehen, er fand Biermanns Behauptung auch viel plausibler als sein Chef es getan hat. Deswegen hat er sich dann auch die Mühe gemacht und ein komplettes mathematisches Modell entwickelt um zu beschreiben, wie die Sonne Teilchen aus ihrer Atmosphäre beschleunigen und ins All schleudern kann. Dieses Modell wollte er dann auch veröffentlichen, was Simpson gar nicht so super gefunden hat. Er hat sich geweigert, die Publikation zu unterstützen und wollte seinen Namen da komplett raushalten. Die meisten wissenschaftliche Journale wollten den Artikel von Parker ebenfalls nicht publizieren; erst 1958 ist sein Aufsatz dann in einer Ausgabe des Astrophysical Journal erschienen und das nur, weil der damalige Chefeditor und spätere Physiknobelpreisträger Subrahmanyan Chandrasekhar zwar auch der Meinung war, dass Parkers Idee Quatsch ist - aber trotzdem nicht wollte, dass die Arbeit einfach so verschwindet. Jetzt gab es zwar eine detaillierte mathematische und physikalische Erklärung, wie die Sonne ständig Teilchen ins All schleudert, akzeptiert hat man diese Vorhersage von Parker aber trotzdem nicht. Übrigens: In dieser Arbeit von 1958 hat Parker den Begriff "Sonnenwind" noch nicht erwähnt; er stammt aber trotzdem von ihm. Schon ab 1957 hat er ihn immer wieder in Diskussionen und Gesprächen benutzt und irgendwann hat er sich dann auch in der wissenschaftlichen Literatur durchgesetzt. Was aber nichts daran geändert hat, dass außer ihm so gut wie niemand von der Existenz des Sonnenwinds überzeugt war.

Aber zum Glück für Parker - und die Wissenschaft ganz allgemein - war mittlerweile das Weltraumzeitalter angebrochen. Im Oktober 1957 hatte die Sowjetunion mit Sputnik den ersten Satelliten ins All geschickt, die USA sind im Februar 1958 mit Explorer 1 gefolgt. Die erste Raumsonde, also das erste künstliche Objekt das nicht nur die Erde umkreist sondern weiter hinaus ins All fliegt, ist im Januar 1959 von der Sowjetunion gestartet worden. Luna 1 sollte eigentlich auf dem Mond landen, hat unseren Nachbarn aber verfehlt. Aber sie ist immerhin am Mond vorbeigeflogen und hat jede Menge Daten gesammelt. Sie war mit Messgeräten ausgestattet, die die radioaktive Strahlung im Weltall messen sollten und die Anzahl der Teilchen die da so im ansonsten leeren Weltraum runfliegen. Und mit diesem Gerät war Luna 1 in der Lage, die Existenz des Sonnenwinds zu bestätigen. Ludwig Biermann und Eugene Parker hatten Recht: Da war tatsächlich ein ständiger Strom von Teilchen aus Richtung der Sonne. Als dann 1962 die amerikanische Sonde Mariner 2 zum Merkur geflogen ist, hat sie das alles nochmal bestätigt und als die Astronauten der Apollo-Mission 1969 auf dem Mond gelandet sind, haben sie dort Messgeräte aufgestellt, die den Sonnenwind quasi live und direkt nachweisen konnten.

Seitdem wissen wir ohne Zweifel: Die Sonne leuchtet nicht nur, sie schleudert auch ständig Teilchen aus ihrer Atmosphäre hinaus ins All. Pro Sekunde ungefähr eine Million Tonnen an Material, was zwar viel ist aber dann doch nicht so viel, dass man Angst haben müsste, unser Stern könnte sich in naher Zukunft auflösen. Seit die Sonne existiert hat sie bei dieser Rate weniger als ein zehntausendstel ihrer Masse an den Sonnenwind verloren, da müssen wir uns also keine Sorgen machen. Mittlerweile haben wir den Sonnenwind auch sehr gut erforscht. Wir wissen, dass er vor allem aus Wasserstoff- und Heliumatomkernen besteht. Was auch sonst, das sind ja die Hauptbestandteile der Sonne. Aber auch von den restlichen Elementen, die sich in geringen Mengen in der Sonne befinden, finden wir Teilchen im Sonnenwind. Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Eisen - und so weiter. Bei der Geschwindigkeit gibt es zwei unterschiedliche Arten von Sonnenwind. Der langsame Sonnenwind startet mit circa 150 Kilometer pro Sekunde von der Sonnenoberfläche und wird am Ende bis zu 300 Kilometer pro Sekunde schnell. Der schnelle Sonnenwind erreicht bis zu 750 Kilometer pro Sekunde und wir sind uns noch nicht ganz sicher, warum ein Teil des Sonnenwinds langsamer ist als der andere. Es hat mit Sicherheit mit den komplexen elektrisch/magnetischen Vorgängen im Sonneninneren zu tun, aber die haben wir noch nicht vollständig verstanden. Außerdem rotiert die Sonne ja auch um ihre Achse und der Sonnenwind, den sie dabei abgibt verhält sich ein bisschen so wie das Wasser in einem Sprinkler. Er bildet spiralförmige Kurven, die von der Sonne ausgehen - die übrigens heute "Parker-Spiralen" genannt werden.

Der Sonnenwind ist aber viel mehr als nur ein paar Teilchen, die da halt durch den interplanetaren Raum sausen. Es sind ja geladene Teilchen und deswegen beeinflussen sie auch das Magnetfeld der Sonne, das sich weit hinaus, über die Planeten hinweg erstreckt. Erst bei ungefähr 100 Astronomischen Einheiten, also dem 100fachen Abstand zwischen Sonne und Erde, ist der Sonnenwind so dünn geworden, dass er sich nicht mehr von den interstellaren Teilchen unterscheiden lässt. Das vom Sonnenwind so weit transportierte und beeinflusste Magnetfeld der Sonne steht dabei natürlich in Wechselwirkung mit den Magnetfeldern aller Planeten. Der Sonnenwind hat also Auswirkungen auf alles im Sonnensystem, auch ganz konkret bei uns auf der Erde. Bei den Polarlichter, für die Raumfahrt, für den irdischen Funkverkehr, und so weiter. Der Sonnenwind besteht aus dem Material, aus dem die Sonne selbst besteht und erlaubt es uns daher, auch zu verstehen, was in der Sonne passiert. Seine Erforschung ist ein unerlässliches Werkzeug, wenn wir unseren Stern und das ganze Sonnensystem verstehen wollen.

Eugene Parker war zwar nicht der erste, der die Idee hatte, das so etwas wie einen Sonnenwind geben könnte. Aber er war derjenige, der das ganze mathematisch-physikalisch beschrieben hat und der mit seiner Arbeit dafür gesorgt hat, dass sich die Idee am Ende durchgesetzt hat. Im August 2018 hat die NASA eine Raumsonde gestartet, um die äußerste Schicht der Sonnenatmosphäre zu erforschen. Diese Sonde fliegt so nahe an die Sonne wie keine es vor ihr getan hat und wird quasi vor Ort untersuchen können, wie der Sonnenwind entsteht. Und es ist absolut gerechtfertigt, dass diese Sonde den Namen "Parker Solar Probe" bekommen hat.

Sternengeschichten Folge 636: Le-Sage-Gravitation - Wie funktioniert die Schwerkraft?

Wie funktioniert die Schwerkraft? Wissen wir nicht! Aber weil dass in diesem Fall eine sehr kurze Podcastfolge wäre, schauen wir uns das, was wir nicht wissen, dann doch lieber ein wenig genauer an. Die aktuell beste Theorie, die wir zur Beschreibung der Gravitation haben, ist die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein. Darin wird die Schwerkraft als Auswirkung der Krümmung der Raumzeit beschrieben. Masse krümmt den Raum und alles, was sich bewegt, folgt dieser Krümmung, was für uns so aussieht, als würde eine Kraft zwischen den Massen wirken. Und das ist zwar eine sehr originelle Erklärung und die Allgemeine Relativitätstheorie funktioniert wirklich, wirklich gut. Seit über hundert Jahren konnte jede ihrer Vorhersagen immer wieder und sehr genau bestätigt werden. Wir wissen aber auch, dass die Allgemeine Relativitätstheorie trotzdem nur eine Näherung an die Realität sein kann. Gut, das gilt für jede wissenschaftliche Theorie, aber wir wissen, dass die Beschreibung der Gravitation durch die Relativitätstheorie zum Beispiel dann nicht funktioniert, wenn die Massendichten sehr groß werden; wenn wir es zum Beispiel mit schwarzen Löchern zu tun haben.

Aber irgendwie MUSS die Gravitation ja funktionieren. Und natürlich haben sich sehr viele Menschen im Laufe der Zeit sehr viele Gedanken darüber gemacht. Denn die Schwerkraft ist ja etwas, was wir in unserem Leben ständig beobachten. Wenn wir etwas nach oben werfen, dann kommt es wieder nach unten. Wenn wir etwas fallen lassen, dann fällt es. Und so weiter. Und dafür muss es nicht nur eine Beschreibung geben, sondern auch eine Erklärung. Eine dieser Erklärungen könnte "Ja, das ist halt so!" sein. Und das war es im Wesentlichen auch, was man sich vor langer Zeit in der Antike gedacht hat. Dinge fallen nach unten, weil sie da halt hin wollen! Oder ein bisschen exakter gesagt: Alle Materie will zum Zentrum des Universums, das ist quasi fix eingebaut in die Natur der Dinge und weil die Erde im Zentrum des Universums ist, bewegt sich halt alles nach unten.

Gut, aus heutiger Sicht ist das keine sonderlich wissenschaftliche Erklärung. Der erste, der sich tatsächlich auf eine Art mit der Gravitation beschäftigt hat, die mit der modernen Naturwissenschaft zu tun hat, war natürlich Isaac Newton. Er hat eine mathematische Formel gefunden, um zu beschreiben, wie sich die Gravitation verhält; ein universell gültiges Naturgesetz. Diese Formel war und ist enorm erfolgreich; auch heute noch und auch im Wissen, dass sie in speziellen Fällen nicht mehr funktioniert und durch die Relativitätstheorie ersetzt werden muss, wird sie in der gesamten Naturwissenschaft verwendet.

Was Newton aber nicht getan hat, war zu erklären, warum die Gravitation so funktioniert, wie sie es tut. Er hat beschrieben, wie man ihre Stärke ausrechnen kann und dass diese Stärke von den beteiligten Massen und ihrem Abstand abhängen. Aber warum das so ist, hat er nicht erklärt. Aber sein Freund und Kollege, der Schweizer Mathematiker Nicolas Fatio de Duillier hat es gegen Ende des 17. Jahrhunderts versucht. Isaac Newton hat nicht viele Freunde gehabt, aber Fatio war einer davon. Und er hat das entwickelt, was wir heute die "Le-Sage-Gravitation" nennen und wir werden noch dazu kommen, wer Le Sage war.

Die Idee von Fatio ist auf den ersten Blick recht simpel. Stellen wir uns vor, der gesamte Raum ist voll mit Teilchen. Die bewegen sich sehr schnell, mit konstanter Geschwindigkeit und geradlinig in alle Richtung. Und wenn da jetzt im Raum irgendwas ist, zum Beispiel ein Planet, dann ist der natürlich dem ständigen Bombardement dieser Teilchen ausgesetzt. Weil sie aber ja alle mit der selben Geschwindigkeit und aus allen Richtungen auf den Planeten treffen, hat das keinen Effekt. Die Teilchen schieben, vereinfacht gesagt, aus allen Richtungen gleich stark an und die Kräfte heben sich auf. Aber was, wenn da jetzt auch noch ein zweiter Planet ist, nicht allzu weit entfernt vom ersten? Dann blockiert der ja ein bisschen was von diesem Teilchenstrom. Aus Sicht des ersten Planeten kommen die Teilchen immer noch gleichmäßig aus allen Richtungen. Nur nicht aus der Richtung, in der sich der zweite Planet befindet, denn der blockt sie ja ab. Das bedeutet: Der erste Planet wird durch die Teilchen in Richtung des zweiten Planeten geschoben. Und aus Sicht des zweiten Planeten läuft das alles genau so, nur umgekehrt. Oder anders gesagt: Man wird beobachten, dass sich die beiden Planeten gegenseitig anziehen.

Das klingt, wie gesagt, sehr simpel. Es klingt auch sehr plausibel. Man kann sich das gut vorstellen und verstehen, wie diese Teilchen, die sich da überall bewegen, etwas erzeugen, was für uns so aussieht wie eine Anziehungskraft zwischen den Objekten. Aber auf den zweiten Blick wird die Sache dann schwieriger. Man kann mit diesem Modell erklären, warum die Gravitationskraft vom Abstand zwischen den Objekten abhängt, beziehungsweise sogar, warum sie vom Quadrat des Abstands abhängt, wie es Newtons Formel sagt. Je mehr Abstand zwischen den Objekten ist, desto mehr Teilchen können noch dazwischen kommen; desto schlechter wird also die wechselseitige Abschirmung und desto schwächer die Kraft. Aber Newtons Formel sagt ja auch, dass die Stärke der Gravitationskraft von der Masse abhängt. Und warum sollte eine massereiches Objekt diese komischen Teilchen stärker abschirmen als ein Objekt mit weniger Masse?

Ganz einfach, hat Fatio gesagt: Weil alle Objekte zum größten Teil aus leerem Raum bestehen! Die Teilchen können da problemlos reinfliegen. Und im Objekt werden die Teilchen zum Teil absorbiert und es kommen weniger wieder raus, als reingeflogen sind. Und zwar um so weniger, je mehr Masse da ist. Also: Die Stärke der Gravitationskraft ist auch proportional zur Masse.

Man kann das tatsächlich alles auch mathematisch einigermaßen exakt aufschreiben, so dass sich damit Newtons Gravitationsgesetz erklären lässt. Aber man muss sich schon ein wenig anstrengen. Man muss sich zum Beispiel überlegen, wie die Kollisionen zwischen den Objekten und den komischen Teilchen im Detail ablaufen. Es kann sich dabei nicht um sogenannte "elastische Stöße" handeln, also Kollisionen bei denen keine Energie ausgetauscht wird. Bei einem elastischen Stoß hat das Teilchen vor der Kollision genau so viel Energie wie danach. Die Theorie von Fatio funktioniert aber nur, wenn ein Teil der Energie der Teilchen bei der Kollision auf die Objekte übergeht.

Das wäre jetzt an sich noch kein Problem. Wir wissen, dass so ein elastischer Stoß sowieso nur eine idealisierter Vorstellung ist und in der Realität bei allen Kollisionen immer irgendwie Energie übertragen wird. Und nachdem Fatio sehr lange an seiner Theorie gearbeitet hatte, war er der Meinung, er könnte damit alles erklären, was erklärt werden muss. Isaac Newton war auch damit zufrieden, aber trotzdem hat Fatio es irgendwie nie geschafft, die Sache so zu veröffentlichen, dass seine Theorie allgemein bekannt werden hat können. Aber ein paar Jahrzehnte später, in der Mitte des 18. Jahrhunderts, hat der Physiker und Mathematiker Georges-Louis Le Sage, ebenfalls ein Schweizer, eine eigene Theorie der Gravitation veröffentlicht. Sie ist quasi identisch mit dem, was sich Fatio ausgedacht hat, aber Le Sage hat immer darauf beharrt, nicht bei ihm abgeschrieben zu haben. Er habe erst später von Fatios Arbeit erfahren und seine eigene Theorie sei zwar sehr ähnlich, aber deutlich besser ausgearbeitet. Ob das stimmt oder nicht, darüber kann die Wissenschaftsgeschichte diskutieren (was sie auch tut) - aber wir schauen jetzt noch mal auf das, was mittlerweile und bis heute als "Le-Sage-Gravitation" bekannt ist.

Die Teilchen, die überall durch die Gegend fliegen hat Le Sage die "ultramundanen Korpuskel" genannt und der Rest war im Wesentlichen wie bei Fatio. Richtig erfolgreich war er damit aber nicht. Leonhard Euler, einer der berühmtesten Mathematiker und Physiker der Moderne, hat in einem Brief an Le Sage zum Beispiel geschrieben: "Sie müssen mich entschuldigen, wenn ich eine große Abneigung gegen Ihre ultramundanen Korpuskel habe, und ich werde es immer vorziehen, meine Unkenntnis über die Ursache für Schwerkraft zu gestehen, als auf solch fremdartige Hypothesen zurückzugreifen."

Tja. Es haben sich auch andere berühmte Forscher damit beschäftigt, zum Beispiel der Astronom Pierre-Simon Laplace zu Beginn des 19. Jahrhunderts. Er hat ausrechnet, dass sich die Gravitationskraft im Modell von Le Sage ungefähr 100 Millionen Mal schneller als das Licht ausbreiten muss, damit das alles funktionieren kann. Im weiteren Verlauf des 19. Jahrhunderts hat die Le-Sage-Gravitation noch einmal ein bisschen mehr Aufmerksamkeit bekommen, weil man mittlerweile die kinetische Gastheorie entwickelt hatte. Also, vereinfacht gesagt, die Idee, das man die Eigenschaften eines Gases durch die zufällige Bewegung der ganzen Moleküle und Atome beschreiben kann, die da rumfliegen. Eigenschaften wie Druck oder Temperatur sind das Resultat der vielen kleinen Kollisionen zwischen den Teilchen und das klingt ja schon ein wenig wie das, was Fatio und Le Sage bei der Gravitation erklärt haben. Nur sind wir jetzt halt wieder bei der Sache mit der Energie, die übertragen wird. Die kinetische Gastheorie beschreibt, wie die Übertragung der Energie bei den Kollisionen dafür sorgt, dass ein Körper wärmer (oder kälter) wird. Wenn jetzt aber auch die ultramundanen Korpuskel Energie übertragen und wenn sie das so tun, dass die Sache mit der Gravitation dadurch beschrieben werden kann, dann kann man jetzt auch ausrechnen, wie stark die Körper dadurch erhitzt werden. Das hat unter anderem der französische Physiker und Mathematiker Henri Poincaré zu Beginn des 20. Jahrhunderts getan und festgestellt, dass sich zum Beispiel die Erde dadurch in jede Sekunde um ein paar Billionen Grad aufheizen müsste.

Einer der letzten seriösen Wissenschaftler, der sich mit dem Thema beschäftigt hat, war der amerikanische Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman in den 1960er Jahren. Er hatte nicht vor die, damals schon durchaus gut bestätigte Relativitätstheorie von Einstein zu widerlegen, sondern wollte nur wissen, ob man die Gravitation nicht vielleicht doch auch prinzipiell mit einfacherer Mathematik beschreiben kann als mit der, die Einstein verwendet hat. Aber auch Feynman ist auf die ganzen Probleme gestoßen, die Poincaré, Laplace & Co vor ihm entdeckt haben.

Heute taucht die Le-Sage-Gravitation eigentlich nur noch in der Pseudowissenschaft auf. In der echten Wissenschaft hat man akzeptiert, dass man mit dieser Hypothese nicht weiter kommt. Aber definitiv nicht akzeptiert haben wir, dass so etwas die Gravitation am Ende trotzdem eine Erklärung braucht. Daran werden wir weiterforschen, so lange bis wir wissen, warum die Dinge WIRKLICH nach unten fallen.

Sternengeschichten Folge 635: Wie zerstört man einen Planeten?

Das Wort "Weltuntergang" taucht immer wieder mal auf. Man findet es in den Prophezeiungen von Religionen und in jeder Menge Verschwörungstheorien. Es wird aber auch im wissenschaftlichen Zusammenhang verwendet, zum Beispiel wenn es um die Folgen der Klimakatastrophe geht. Aber was wir da eigentlich so gut wie immer meinen, ist nicht die Zerstörung der Welt, sondern die Zerstörung unserer Welt. Die Klimakrise zum Beispiel hat das Potenzial, die Lebensbedingungen für uns Menschen und für sehr viele andere Lebewesen auf der Erde zu zerstören. Dem Planeten selbst ist das aber egal; die Erde stört sich nicht daran, ob sie heiß oder kalt ist oder ob auf ihr etwas lebt oder nicht. Und wie man alles Leben auf der Erde auslöschen könnte, habe ich ja schon in Folge 532 erklärt - und damals übrigens nicht, weil ich irgendwelchen irren Superbösewichten eine Anleitung geben wollte, sondern weil es durchaus sinnvoll ist, wenn man versteht, welche Ereignisse und Vorgänge theoretisch dazu führen könnten, dass das gesamte Leben auf einem Planeten verschwindet.

Aber eben nicht der Planet selbst. Und das ist es, worum es heute gehen soll: Wie kriegt man einen Planeten kaputt? Kann nicht nur das Leben auf der Erde ausgelöscht, sondern unser ganzer Planet zerstört werden? Ja, das geht - und bevor ich erkläre, wie das funktioniert, sage ich sicherheitshalber gleich dazu, dass es absolut völlig unwahrscheinlich ist, dass irgendeiner der Prozesse, die ich im folgenden erklären werde, auf beziehungsweise mit der Erde passieren werden. Niemand muss sich Sorgen machen!

Also: Wie zerstört man einen Planeten? Na ja, "man" tut das sowieso nicht. Wir Menschen würden es zwar hinkriegen, die Erde völlig lebensfeindlich zu machen, aber den Planeten selbst kriegen wir nicht kaputt. Vielleicht können wir in ferner Zukunft, mit irgendeiner Science-Fiction-Technik, Planeten zerlegen und die Rohstoffe nutzen. Aber darüber rede ich jetzt nicht. Die Frage lautet: Gibt es irgendwelche natürlich auftretenden Prozesse, die in der Lage sind, einen Planeten zu zerstören. Und die Antwort lautet: Ja, sogar einige!

Wenn es um astronomische Katastrophen geht, dann sind Asteroideneinschläge ja sehr populär. Aber die stören einen Planeten in seiner Gesamtheit nicht. Ja, ein Asteroid, der groß genug ist, kann ein Massensterben verursachen oder vielleicht sogar das gesamte Leben auslöschen. Aber aus Sicht des Planeten ist trotzdem nicht viel passiert. Der Planet hat dann halt einen Krater mehr; sowas passiert im Laufe der Zeit, das ist ganz normal. Will man einen Planeten wie unsere Erde durch eine kosmische Kollision zerstören, dann muss man die wirklich großen Geschütze auffahren. Und "wirklich groß" heißt hier wirklich wirklich groß. Vereinfacht gesagt: Um einen Planeten zu zerstören, muss er mit etwas kollidieren, was ungefähr so groß ist, wie er selbst.

Das können wir an der Erde recht gut sehen. In der Frühzeit des Sonnensystems, vor 4,5 Milliarden Jahren, als die Planeten gerade dabei waren zu entstehen, ist die noch unfertige Erde mit einem anderen unfertigen Himmelskörper kollidiert, der ungefähr so groß war wie der Mars. Ich habe von dieser planetaren Kollision ausführlich in Folge 149 erzählt. Wenn zwei solche großen Himmelskörper zusammenstoßen, ist das natürlich nicht Nichts. Da passiert schon was. Die Erde hätte das ganze fast nicht überlebt, der andere Himmelskörper ist komplett zerstört worden und aus den Trümmern der Kollision ist unser Mond entstanden. Aber auch wenn die Erde ziemlich gelitten hat, hat sie den Zusammenstoß trotzdem überlebt. Oder anders gesagt: Selbst wenn wir es irgendwie schaffen könnten, den Mars auf die Erde zu werfen, würde unser Planet das vermutlich überleben. Da müssten wir schon mit der Venus ankommen, denn die ist ziemlich so groß wie die Erde selbst. Aber das wird nicht passieren. Weder Mars, noch Venus noch irgendein anderer Planet des Sonnensystems verlässt einfach so seine Umlaufbahn und fliegt auf die Erde zu. Die Planeten bewegen sich seit Milliarden Jahren auf ihren Bahnen und werden das auch weiterhin tun. Aber, wie schon angedeutet, in der Frühzeit eines Planetensystems kann das anders sein. Da bilden sich haufenweise große und kleine junge Planeten und es ist einfach nicht für alle Platz. Einige werden kollidieren und einige werden dabei auch zerstört. Im Sonnensystem gehört die Erde zu den Überlebenden, aber viele Planeten sind vor 4,5 Milliarden Jahren zerstört worden und werden das ständig überall im Universum, wo gerade Planeten dabei sind zu entstehen.

Kann es aber nicht auch sein, dass ein Planet von außerhalb des Sonnensystems kommt und auf die Erde prallt? Theoretisch ja. Denn in der wilden Frühzeit eines Planetensystems werden eben nicht nur Planeten zerstört, sondern manche auch aus ihren Systemen geworfen. Wir haben auch schon einige dieser "vagabundierenden Planeten" entdeckt, die frei von ihrem Stern durchs Weltall fliegen. Aber der Weltraum ist so absurd groß. Und es wäre ebenso absurd unwahrscheinlich, dass einer davon gerade auf die Erde trifft.

Immer noch sehr, sehr unwahrscheinlich, aber zumindest ein klein wenig weniger unwahrscheinlich ist es, dass sich zwei Sterne sehr nahe kommen. So nahe, dass die Gravitationskraft des einen, die Umlaufbahnen der Planeten des anderen stört und es dann zu Kollisionen kommt.

Wenn ein Planet - sofern er die frühe Phase seiner Entstehung überlebt hat - vor etwas Angst haben muss, dann sind das nicht andere Planeten. Sondern eher die Sterne, und vor allem den Stern, den er selbst umkreist. Unsere Sonne ist ein vergleichsweise braver Stern. Sie leuchtet seit 4,5 Milliarden Jahren vor sich hin und wird das auch noch 5 bis 6 Milliarden Jahren tun. Dann aber ist sie am Ende ihrer Entwicklung angekommen und aus dem kleinen gelben Stern wird ein roter Riese werden - auch davon habe ich in anderen Folgen der Sternengeschichten ja schon oft ausführlich erzählt. Das bedeutet: Die Sonne bläht sich auf und zwar so sehr, dass sie über die Umlaufbahn von Merkur und Venus hinaus wachsen wird. Das ist ein Prozess, der diese beiden Planeten zerstören wird und ob die Erde ihr Schicksal teilen wird, wissen wir noch nicht. Es kann sein, dass die sterbende Sonne sich bis zur Erdbahn und darüber hinaus aufbläht. Es kann aber auch sein, dass die Erde verschont bleibt. Ein Stern, der zu einem roten Riesen wird, ist aber definitiv ein Vorgang, der dazu geeignet ist, einen Planeten zu zerstören.

Wovor man sich als Planet ebenfalls in Acht nehmen sollte, sind Gezeiten. Damit sind nicht unbedingt Ebbe und Flut gemeint, obwohl der Prozess der gleiche ist. Auf der Erde haben wir die Gezeiten, weil die Gravitationskräfte von Sonne und Mond an unterschiedlichen Orten der Erdoberfläche leicht unterschiedlich stark wirken. Das gilt aber immer: Ein Planet, der einen Stern umkreist, spürt dessen Gravitation auf der dem Stern zugewandten Seite stärker als auf der anderen Hälfte. Normalerweise ist das dem Planeten egal. Die Unterschiede sind gering und so ein Planet ist ja nicht aus Pappe - sondern ein solider Himmelskörper aus Metall und Gestein. Der hält einiges aus.

Sollte ein Planet aber seinem Stern sehr nahe, also wirklich nahe, dann können die Gezeiten durchaus einen Effekt haben. Dann kann der Unterschied zwischen der Stärke der Gravitationskraft an unterschiedlichen Seiten des Planeten so groß sein, dass er regelrecht auseinander gerissen wird. Das gilt noch mehr, wenn es sich um einen Planeten handelt, der keinen normalen Stern umkreist, sondern ein extrem dichtes Objekt wie ein schwarzes Loch oder einen Neutronenstern.

Natürlich ist das mit der Gezeitenkraft auch nicht so einfach, wie es klingt. Ein Stern denkt sich ja nicht: So, jetzt geht mir der Planet auf die Nerven, jetzt dreh ich die Gezeitenkraft auf und zerreiß den Planeten! Auch hier müsste sich ein Planet ja irgendwie so sehr dem Stern annähern, dass er irgendwann die Gezeitenkraft nicht mehr aushält. Und das passiert nicht von selbst. Aber es kann passieren. Ich will hier jetzt keine komplette Vorlesung über die Dynamik von Planetensystem halten. Aber es ist möglich, dass Planetenbahnen im Laufe der Zeit degenerieren. Das heißt, dass sie immer näher an den Stern rücken und verantwortlich dafür kann zum Beispiel die gravitative Wechselwirkung mit einem anderem Planeten sein. Wenn beide sich in einer besonderen Konfiguration befinden - einer Resonanz - kann einer davon langsam immer näher an den Stern rücken, bis er durch die Gezeitenkraft zerstört wird.

Oder aber, ein Planet zieht einfach friedlich seine Runden, bis der Stern den er umkreist, sein Leben nicht in Form eines roten Riesen beendet, sondern bei einer Supernova-Explosion. Wenn der Planet nahe genug dran ist, dann überlebt er diese Mega-Explosion nicht und ist direkt zerstört. Aber auch wenn er weit genug entfernt ist, um diese erste Katastrophe zu überstehen, bekommt er es danach mit dem Neutronenstern oder dem schwarzen Loch zu tun, dass bei so einer Supernova-Explosion übrigt bleibt. Und den geänderten Gezeitenkräften, die dann wirken.

Noch blöder kann es laufen, wenn wir es nicht mit einer Supernova-Explosion zu tun haben, sondern einem Gamma-Ray-Burst. Von diesen Ereignissen, die auch Gammablitze genannt werden, habe ich in Folge 42 mehr erzählt. Aber kurz gesagt: Es sind die größten Explosionen die das Universum zu bieten hat und sie entstehen, wenn sehr, sehr große Sterne ihr Leben beenden, oder wenn zwei Neutronensterne kollidieren. Welche Planeten da auch immer davor da waren, sind es danach nicht mehr. Und das gilt auch für die Planeten, die sich in der Nachbarschaft befinden. Genau kann man es nicht sagen, aber man schätzt, dass alle Planeten, die sich im Umkreis von 100 bis 200 Lichtjahren von einem Gammablitz befinden und direkt von der Explosion getroffen werden, das nicht überleben und regelrecht verdampft werden.

Und wer sich jetzt doch Sorgen macht: Im entsprechenden Umkreis der Sonne kennen wir keinen Stern, der in der Lage wäre, einen Gammablitz zu produzieren.

Man könnte sich vermutlich noch ein paar exotischere Prozesse ausdenken, mit denen man einen Planeten kaputt kriegt. Aber im Wesentlichen war es das. Wer einen Planeten zerstören will, muss entweder einen anderen, ebenso großen Planeten drauf werden. Oder dafür sorgen, dass er von einem Stern verschlungen wird. Oder ihn so nahe an einen Stern schieben, bis er zerissen wird. Oder ihn mit einem Gammablitz verdampfen.

Im Großen und Ganzen sind Planeten aber zählebig. Unsere Erde zum Beispiel hat gute Chancen, den Tod der Sonne zu überleben. Wenn die vom roten Riesen zu einem toten weißen Zwerg geworden ist, kann die Erde immer noch ihre Runden ziehen, jetzt eben ohne Licht und Wärme. Es könnte Billionen Jahre oder noch länger dauern, bis die Erde irgendwann doch noch zerstört wird. Wir sind dann aber natürlich schon längst weg. Also machen wir das beste aus der kurzen Zeit, die wir mit unserem Planeten haben.

Sternengeschichten Folge 634: Die Säulen der Schöpfung

"Säulen der Schöpfung" klingt ein bisschen nach Religion. Und tatsächlich stammt der Begriff aus einer Predigt, die der britische Pastor Charles Haddon Spurgeon im Jahr 1857 gehalten hat. Ich will in dieser Folge aber nicht über Religion reden, sondern natürlich von Astronomie. Um "Schöpfung" wird es aber trotzdem gehen. Als "Säulen der Schöpfung" oder auf englisch als die "Pillars of Creation" wird einerseits ein astronomisches Bild bezeichnet und andererseits auch das Objekt, das auf dem Bild zu sehen ist. Und ich bin mir ziemlich sicher, dass ihr dieses Bild alle schon einmal gesehen habt. Es ist eines der bekanntesten astronomischen Bilder, das weit über die reine Wissenschaft hinaus populär geworden ist. Ihr könnt gerne den Podcast kurz pausieren und nachsehen, wie die "Säulen der Schöpfung" aussehen und dann werdet ihr wahrscheinlich sofort sagen "Ah, ja - das Ding!"

Also: Um was geht es? Die "Säulen der Schöpfung" sind circa 7000 Lichtjahre weit von der Erde entfernt und befinden sich im "Adlernebel". Das ist ein sogenannter "Emissionsnebel", also eine große Wolke aus Gas, zwischen den Sternen, die vom Licht der Sterne zum Leuchten angeregt wird. Und es gibt dort deswegen Sterne, deren Licht die Wolke zum Leuchten anregen kann, weil solche Wolken genau die Orte sind, wo aus dem interstellaren Gas neue Sterne entstehen. Der Adlernebel ist ungefähr 20 Lichtjahre groß und die Sterne, die dort leuchten sind vergleichsweise jung, nur ein paar hunderttausend Jahre alt.

Den Adlernebel hat man schon im Jahr 1745 entdeckt; der Schweizer Astronom Jean-Philippe de Chéseaux hat ihn damals beobachtet. Unabhängig von ihm hat ihn auch der französische Astronom Charles Messier als Objekt Nummer 16 in seinen berühmten Messier-Katalog aufgenommen, weswegen der Adlernebel auch die Bezeichnung M16 trägt. Von den "Säulen der Schöpfung" hat man damals aber noch nichts gewusst. Den ersten Hinweis darauf hat der amerikanische Astronom John Charles Duncan gefunden, als er den Adlernebel im Jah 1920 beobachtet und dabei seltsame, dunkle Strukturen entdeckt hat. Weil sie so komisch "schlauchartig" ausgesehen haben, hat man sie "Elefantenrüssel" genannt. Wirklich im Detail hat man sie aber erst sehen können, als im Jahr 1995 das Hubble-Weltraumteleskop diese Region im Weltall fotografiert hat. Und dann war die Astronomie und der Rest wirklich enorm beeindruckt, was da zu sehen war. Ich mache es aber ein wenig spannend, und wir schauen uns jetzt erstmal an, wie das Bild zustande gekommen ist.

Verantwortlich für diese Aufnahme waren die amerikanischen Astronomen Jeff Hester und Paul Scowen und das, was das Weltraumteleskop zur Erde geschickt hat, war auf den ersten Blick nicht sonderlich beeindruckend. Ein schwarzer Blob vor einem grauen Hintergrund, mit jeder Menge weißer "Kratzer" überall am Bild verteilt. Aber so ist das in der Astronomie immer; die Rohdaten die man bei einer Beobachtung bekommt, sehen selten so beeindruckend aus, wie die Bilder, die man daraus erstellen kann. Die ganzen "Kratzer" sind zum Beispiel die Spuren, die die kosmische Strahlung auf den Detektoren eines Teleskops hinterlässt. Die kann man aber leicht durch entsprechende Bildbearbeitung entfernen. Dann hat man einen schwarzen Blob ohne Kratzer und er ist deswegen schwarz, weil die digitalen Kameras ja keine Farben aufnehmen können. Sie messen einfach nur die Intensität der Strahlung und fertig. Wenn man Farben haben will, muss man sich ein wenig mehr anstrengen.

Schauen wir dafür noch einmal zurück zum Adlernebel. Ich habe zu Beginn gesagt, dass das eine Gaswolke ist, die zum Leuchten angeregt wird. Im Detail funktioniert das so: Bestimmte Atome - zum Beispiel Sauerstoff - können angeregt werden, wenn vom Sternenlicht der Umgebung genug Energie übertragen wird. Solche angeregten Atome geben diese Energie aber schnell wieder ab, und zwar in Form von Licht bei einer ganz konkreten Wellenlänge, die sich je nach Art des Atoms unterscheidet. Deswegen leuchten diese Emissionsnebel auch so bunt: Jede Art von Atomen, die sich dort befinden, senden ihr eigenes Licht aus. Bei der Beobachtung kann man jetzt bestimmte Filter verwenden, die nur Licht mit der Wellenlänge eines dieser Atome durchlassen und das dann später passend farblich darstellen. Im Fall des Hubble-Teleskops und des Adlernebels hat man drei unterschiedliche Filter verwendet. Einer hat das Licht der Wasserstoffatome durchgelassen, einer das von Schwefelatomen und einer das von Sauerstoff. Entsprechend der Farben dieses Lichts hat man das Wasserstoffbild in Grüntönen, das Schwefelbild in rötlicher Farbe und das Sauerstoffbild in Blau eingefärbt und alle drei zu einem einzigen Bild kombiniert. So ist das fertige Bild der "Säulen der Schöpfung" entstanden und ich sage der Vollständigkeit halber noch dazu, warum auf diesem Bild die obere rechte Ecke komplett schwarz ist: Das liegt daran, dass man nur drei der vier Kameras von Hubble verwendet konnte, weil eine mit einer zu geringen Auflösung gearbeitet hat.

So. Jetzt haben wir ein fertiges Bild. Darauf zu sehen ist ein Weltraum, der grün/bläulich leuchtet, mit ein paar rötlich scheinenden Sternen. Dominiert wird das Bild aber von drei dunklen Säulen, die sich dramatisch in die Höhe recken. An ihren Rändern leuchten sie hell, dazwischen sind sie rot-braun bis tiefschwarz. Ihre Form ist komplex: die höchste Säule, ganz links im Bild türmt sich aus unterschiedlichen Wolken nach oben und hat jede Menge Auswüchse an ihren Seiten. Die Säule in der Mitte hat viel glattere Konturen, ist viel dunkler und die kleinste Säule ganz rechts scheint sich irgendwie am unteren Ende aufzulösen, so als würde sie gerade dabei sein, ins Weltall davon zu fliegen.

Das sind die "Säulen der Schöpfung" und dieser Name klingt nicht nur viel schöner als "Elefantenrüssel" sondern ist auch gar nicht so übertrieben. Was man dort sieht, ist tatsächlich Schöpfung: Dort entstehen neue Sterne - das hat man auch vorher schon gewusst. Aber die "Säulen der Schöpfung" haben dieses Prozess in einem Detailreichtum gezeigt, den man bis dahin nicht gekannt hat. Die Säulen sind einige Lichtjahre lang; sie erheben sich wie Stalaktiten in einer Höhle aus dichten Wolken, die vor allem aus Wasserstoff entstehen. In ihnen ist der Wassertoff dicht genug, damit daraus Sterne entstehen können. Auch das war bekannt. Was man in den Säulen der Schöpfung aber erstmals gesehen hat, waren "verdunstende gasförmige Globulen", auf englisch "evaporating gaseous globules" oder abgekürzt EGGs. Und vermutlich hat es irgendwer lustig gefunden, dass da EGGs, also "Eier" im Adlernebel sind, aber wir gehen jetzt nicht weiter auf den Humor (oder den Mangel davon) in der Wissenschaft ein. Diese EGGs kann man sich als sehr dichte Taschen aus Wasserstoffgas vorstellen. Darin entstehen Sterne, aber wir kriegen davon nicht viel mit, weil wir nicht durch das Gas und den Staub hindurch sehen können. Wenn jetzt aber in der Nähe junge und heiße Sterne existieren, dann schicken die auch sehr viel energiereiche Ultraviolettstrahlung ins All. Die kann das Gas der EGGs quasi verdampfen, das nennt man "Photoevaporation". Anders gesagt: Die Strahlung heizt das Gas auf, die Teilchen bewegen sich schneller als vorher und strömen von den Säulen hinaus ins All. Übrig bleibt nur der innere Kern der EGGs, die dichtesten Regionen aus Gas, in deren Inneren die Sterne dabei sind, zu entstehen.

Schaut man sich die Säulen der Schöpfung ganz genau an, dann sieht man jede Menge dieser EGGs. Manche davon befinden sich an den Spitzen der aus den Säulen hinauswachsenden kleinen, fingerartigen Strukturen. Manchen haben sich schon abgelöst und schweben neben den Säulen im All. Diese Stadien der Sternentwicklung konnte man so detailliert vorher noch nicht beobachten. Und es ist ein wichtiges Stadium: Je mehr Gas durch die UV-Strahlung evaporiert wird, desto weniger kann zur Sternentstehung beitragen. Oder anders gesagt: Je schneller die EGGs vom Rest der Gaswolken in den Säulen getrennt werden, desto weniger Masse können sie haben.

Aber woher wissen wir eigentlich, dass da so viel UV-Strahlung ist? Dafür ist der Schwefel gut. Ich habe vorhin gesagt, dass das Bild mit Filtern gemacht worden ist, die das Licht von Wasserstoff-, Sauerstoff- und Schwefelatomen durchlassen. Und der Schwefel scheint da irgendwie nicht ins Bild zu passen. Wasserstoff ist klar; das ist der Hauptbestandteil der interstellaren Wolken und der Sterne und eigentlich des ganzen Universums. Natürlich ist der auch dort zu finden. Sauerstoff ist auch noch nachvollziehbar; dieses Element wird im Inneren von Sternen durch Kernfusion erzeugt und nach ihrem Ende überall im All verteilt. Das selbe gilt aber auch für den Schwefel. Und Schwefel kann in der Astronomie als Indikator für UV-Strahlung verwendet werden. Die sehr starke UV-Strahlung junger Sterne kann den Schwefel auf ganz charakteristische Art anregen, was Licht mit einer ganz charakteristischen Wellenlänge verursacht. Deswegen sieht man die Sterne die sich auf dem Bild der Säulen der Schöpfung befinden, ja auch rötlich leuchten, aber das Schwefellicht ist vor allem wichtig, wenn man die Photoevaporation nachvollziehen will. Überall dort, wo viel UV-Strahlung auf die Gaswolken trifft, ist auch Schwefel und der fängt an, auf seine typische Weise zu leuchten. Wenn man dieses Licht gezielt beobachtet, kann man herausfinden, wie intensiv die UV-Strahlung wirklich ist und wie effektiv das Gas der Säulen dadurch verdampft wird.

Die Säulen der Schöpfung sind also nicht nur Orte, wo wir direkt bei der Entstehung von etwas Neuem zusehen können. Die Säulen lösen sich auf; die Photoevaporation geht immer weiter. Das Gas kann auch durch Supernova-Explosionen in der Umgebung regelrecht weggepustet werden, was den Vorgang beschleunigt. Im Jahr 2007 hat man einige Hinweise gefunden, dass das vielleicht sogar schon passiert ist. Diese Beobachtungen sind aber umstritten, nicht umstritten ist, dass die Säulen der Schöpfung verschwinden werden. Das kann ein paar hunderttausend Jahre dauern oder ein paar hunderttausend Jahre mehr. Aber auch nicht recht viel länger - was aber trotzdem immer noch genug Zeit für uns ist, die Säulen der Schöpfung zu erforschen.

Dem ersten Bild aus dem Jahr 1995 sind natürlich noch viele weitere gefolgt. Das Hubble-Teleskop hat selbst mit seiner später verbesserten Optik im Jahr 2015 nochmal hingeschaut. Das neuere James-Webb-Weltraumteleskop hat im Jahr 2022 ein Bild aufgenommen, das noch sehr viel mehr Details zeigt. Jedes Bild ist auf seine eigene Art wissenschaftlich wertvoll und wunderschön. Die "Säulen der Schöpfung" sind das beste Beispiel dafür, wie sich Astronomie und Ästhetik, Physik und Philosophie, Sterne und Spiritualität verbinden. Die Erkenntnisse der Naturwissenschaft treffen auf die Erhabenheit des Universums. Die "Säulen der Schöpfung" berühren uns alle.